KR102048989B1 - 고정 주파수를 이용하는 ｌｃ공진 발진기의 이득을 조절하는 무선 전력 전송 장치 및 이득 조절 방법 - Google Patents

Abstract

본 명세서는, 인버터 구동 신호의 구동 주파수를 고정하되, 전송이득을 펄스가 제거된 인버터 구동신호를 생성하여 조절함으로써 무선 전력 전송장치의 전송이득을 안정적으로 조절할 수 있는 무선 전력 전송장치 및 무선 전력 전송방법을 제공한다.
이를 위하여, 일 실시예에 따른 무선 전력 전송장치는, 서로 다른 주파수를 가지는 복수의 무선 전력 신호를 형성하여 무선 전력 수신장치로 무선 전력을 전달하는 복수의 전력 전송기를 포함하되, 상기 무선 전력 수신장치는, 상기 서로 다른 주파수를 가지는 복수의 무선 전력 신호 각각을 수신할 수 있는 복수의 전력 수신기를 포함할 수 있다.

Description

고정 주파수를 이용하는 ＬＣ공진 발진기의 이득을 조절하는 무선 전력 전송 장치 및 이득 조절 방법{WIRELESS POWER TRANSFER APPARATUS ADJUSTING GAIN OF LC RESONANT GENERATOR USING FIXED FREQUENCY AND METHOD FOR ADJUSTING GAIN OF LC RESONANT GENERATOR}

본 명세서는 무선 전력 전송에 관한 것이다. 보다 구체적으로는 인버터 구동 신호의 구동 주파수를 고정하되, 전송이득을 펄스가 제거된 인버터 구동신호를 생성하여 조절함으로써 무선 전력 전송장치의 전송이득을 안정적으로 조절할 수 있는 무선 전력 전송장치 및 무선 전력 전송방법에 관한 것이다.

전통적으로 무선 전력 수신장치들에게 유선으로 전기 에너지를 공급하는 방법 대신에, 최근에는 접촉 없이 무선으로 전기 에너지를 공급하는 방법이 사용된다. 무선으로 에너지를 수신하는 무선 전력 수신장치는 상기 수신된 무선 전력에 의하여 직접 구동되거나, 상기 수신된 무선 전력을 이용하여 배터리를 충전하고 상기 충전된 전력에 의하여 구동될 수 있다.

자기 유도 방식의 무선 전력 전송에 대한 기술을 다루는 무선 전력 협의체(Wireless Power Consortium)는 2010년 4월 12일에 무선 전력 전송에서의 호환성(interoperability)에 대한 "무선 전력 전송 시스템 설명서, 제1권, 저전력, 파트 1: 인터페이스 정의, 버젼 1.00 RC1(System Description Wireless Power Transfer, Volume 1, Low Power, Part 1: Interface Definition, Version 1.00 Release Candidate 1)" 표준 문서를 공개하였다. 상기 무선 전력 협의체의 표준 문서는 자기 유도 방식에 의하여 하나의 무선 전력 전송장치로부터 하나의 무선 전력 수신장치로 전력을 전달하는 방식을 설명하고 있다.

본 명세서는 인버터 구동 신호의 구동 주파수를 고정하되, 전송이득을 펄스가 제거된 인버터 구동신호를 생성하여 조절함으로써 무선 전력 전송장치의 전송이득을 안정적으로 조절할 수 있는 무선 전력 전송장치 및 무선 전력 전송방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기 목적들을 달성하기 위한 본 명세서에 따른 무선 전력 전송장치는, 무선 전력 신호를 생성하여 무선 전력 수신장치로 무선 전력을 전송하는 무선 전력 전송 장치로서, 펄스 신호를 생성하는 펄스 신호 생성부; 상기 펄스 신호에 포함된 복수의 펄스 중 적어도 하나의 펄스를 제거하여 인버터 구동 신호를 생성하는 펄스 스킵부; 상기 인버터 구동 신호를 근거로 직류 신호를 교류 신호로 변환하는 인버터부; 상기 교류 신호에 의한 LC 공진 현상을 근거로 상기 무선 전력 신호를 생성하는 LC 공진부; 및 상기 적어도 하나의 펄스를 제거하여 상기 무선 전력 신호의 크기가 조절되도록 상기 펄스 스킵부를 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.

본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 제어부는, 기준 신호를 근거로 상기 복수의 펄스 중 제거되어야 할 상기 적어도 하나의 펄스를 결정하고, 상기 적어도 하나의 펄스의 제거를 지시하는 제어 신호를 상기 펄스 스킵부에 전달하는 것일 수 있다.

본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 기준 신호를 검출하는 검출부를 더 포함할 수 있다.

본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 기준 신호는, 상기 인버터부 및 상기 LC 공진부 중 적어도 하나의 내부 전류 또는 내부 전압인 것일 수 있다.

본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 제어부는, 상기 기준 신호에 해당하는 크기가 특정 값 이상이 되는 시점을 근거로 상기 적어도 하나의 펄스를 결정하는 것일 수 있다.

본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 제어부는, 상기 기준 신호에 해당하는 크기의 피크 값을 검출하고, 상기 피크 값이 상기 특정 값 이상이 되는 시점을 근거로 상기 적어도 하나의 펄스를 결정하는 것일 수 있다.

본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 인버터부는, 상기 LC 공진부에 풀-업 전류를 제공하는 제 1 스위칭 소자 및 풀-다운 전류를 제공하는 제 2 스위칭 소자를 포함하는 것일 수 있다.

본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 제 1 스위칭 소자 및 상기 제 2 스위칭 소자는, MOSFET 및 IGBT 중 적어도 하나로 이루어지는 것일 수 있다.

본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 제어부는, 기준 전류를 근거로 상기 복수의 펄스 중 제거되어야 할 상기 적어도 하나의 펄스를 결정하고, 상기 적어도 하나의 펄스의 제거를 지시하는 제어 신호를 상기 펄스 스킵부에 전달하되, 상기 기준 전류는, 상기 제 1 스위칭 소자의 소스 단자, 상기 제 2 스위칭 소자의 소스 단자 및 상기 제 1 스위칭 소자의 드레인 단자와 상기 제 2 스위칭 소자의 드레인 단자 간의 접점 노드 중 적어도 하나에 해당하는 전류인 것일 수 있다.

본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 LC 공진부는, 적어도 하나의 인덕터 및 적어도 하나의 커패시터를 포함하고, 상기 제어부는, 기준 전류 또는 기준 전압을 근거로 상기 복수의 펄스 중 제거되어야 할 상기 적어도 하나의 펄스를 결정하고, 상기 적어도 하나의 펄스의 제거를 지시하는 제어 신호를 상기 펄스 스킵부에 전달하되, 상기 기준 전류 또는 상기 기준 전압은, 상기 적어도 하나의 인덕터와 상기 적어도 하나의 커패시터 간의 접점 노드에 해당하는 전류 또는 전압인 것일 수 있다.

본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 인버터부는, 상기 LC 공진부에 풀-업 전류를 제공하는 한 개의 풀-업 스위칭 소자 및 풀-다운 전류를 제공하는 한 개의 풀-다운 스위칭 소자를 포함하는 하프-브릿지 인버터로 구현되고, 상기 펄스 신호는, 상기 한 개의 풀-업 스위칭 소자에 인가되는 구동 신호를 생성하기 위한 제 1 풀-업 펄스 신호 및 상기 한 개의 풀-다운 스위칭 소자에 인가되는 구동 신호를 생성하기 위한 제 1 풀-다운 펄스 신호를 포함할 수 있다.

본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 제어부는, 상기 제 1 풀-업 펄스 신호에 포함된 복수의 펄스 중 적어도 하나의 제 1 풀-업 펄스 및 상기 제 1 풀-다운 펄스 신호에 포함된 복수의 펄스 중 적어도 하나의 제 1 풀-다운 펄스 중 적어도 하나를 제거하여 상기 무선 전력 신호의 크기가 조절되도록 상기 펄스 스킵부를 제어하는 것일 수 있다.

본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 인버터부는, 상기 LC 공진부에 풀-업 전류를 제공하는 두 개의 풀-업 스위칭 소자 및 풀-다운 전류를 제공하는 두 개의 풀-다운 스위칭 소자를 포함하는 풀-브릿지 인버터로 구현되고, 상기 펄스 신호는, 상기 두 개의 풀-업 스위칭 소자 각각에 인가되는 구동 신호를 생성하기 위한 제 1 풀-업 펄스 신호, 제 2 풀-업 펄스 신호, 상기 두 개의 풀-다운 스위칭 소자 각각에 인가되는 구동 신호를 생성하기 위한 제 1 풀-다운 펄스 신호 및 제 2 풀-다운 펄스 신호를 포함할 수 있다.

본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 제어부는, 상기 제 1 풀-업 펄스 신호에 포함된 복수의 펄스 중 적어도 하나의 제 1 풀-업 펄스, 상기 제 2 풀-업 펄스 신호에 포함된 복수의 펄스 중 적어도 하나의 제 2 풀-업 펄스, 상기 제 1 풀-다운 펄스 신호에 포함된 복수의 펄스 중 적어도 하나의 제 1 풀-다운 펄스 및 상기 제 2 풀-다운 펄스 신호에 포함된 복수의 펄스 중 적어도 하나의 제 2 풀-다운 펄스 중 적어도 하나를 제거하여 상기 무선 전력 신호의 크기가 조절되도록 상기 펄스 스킵부를 제어하는 것일 수 있다.

본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 인버터부는, 상기 LC 공진부에 풀-업 전류를 제공하는 적어도 하나의 풀-업 스위칭 소자 및 풀-다운 전류를 제공하는 적어도 하나의 풀-다운 스위칭 소자를 포함하되, 상기 적어도 하나의 풀-업 스위칭 소자 및 상기 적어도 하나의 풀-다운 스위칭 소자는 ZVS(Zero Voltage Switching) 또는 ZCS(Zero Current Switching)을 근거로 한 스위칭이 이루어지는 것일 수 있다.

상기 목적들을 달성하기 위한 본 명세서에 따른 무선 전력 전송장치는, 인버터 구동 신호를 근거로 직류 신호를 교류 신호로 변환하는 인버터부; 상기 교류 신호에 의한 LC 공진 현상을 근거로 상기 무선 전력 신호를 생성하는 LC 공진부; 및 펄스 신호를 생성하고, 상기 펄스 신호에 포함된 복수의 펄스 중 적어도 하나의 펄스를 기준 신호를 근거로 제거하여 상기 인버터 구동 신호를 생성하고, 상기 인버터 구동 신호를 상기 인버터부에 인가하여 상기 무선 전력 신호의 크기를 조절하는 제어부를 포함할 수 있다.

상기 목적들을 달성하기 위한 본 명세서에 따른 무선 전력 전송방법은, 무선 전력 신호를 생성하여 무선 전력 수신장치로 무선 전력을 전송하는 무선 전력 전송장치에 의한 무선 전력 전송방법으로서, 펄스 신호를 생성하는 단계; 상기 펄스 신호에 포함된 복수의 펄스 중 적어도 하나의 펄스를 기준 신호를 근거로 제거하여 인버터 구동 신호를 생성하는 단계; 상기 인버터 구동 신호를 상기 무선 전력 전송장치에 포함된 인버터부에 인가하여 직류 신호를 교류 신호로 변환하는 단계; 및 상기 교류 신호를 상기 무선 전력 전송장치에 포함된 LC 공진부에 인가하여 LC 공진 현상을 근거로 한 상기 무선 전력 신호를 생성하는 단계를 포함할 수 있다.

본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 인버터 구동 신호를 생성하는 단계는, 상기 기준 신호에 해당하는 크기가 특정 값 이상이 되는 시점을 검출하는 단계; 및 상기 검출된 시점을 근거로 상기 적어도 하나의 펄스를 제거하는 단계를 포함할 수 있다.

본 명세서와 관련된 일 예로서, 상기 인버터 구동 신호를 생성하는 단계는, 상기 기준 신호에 해당하는 크기의 피크 값을 검출하는 단계; 및 상기 검출된 피크 값이 상기 특정 값 이상이 되는 시점을 근거로 상기 적어도 하나의 펄스를 제거하는 단계를 포함할 수 있다.

본 명세서에 개시된 일 실시예에 따르면, 인버터 구동 신호의 구동 주파수를 고정하되, 전송이득을 펄스가 제거된 인버터 구동신호를 생성하여 조절함으로써 무선 전력 전송장치의 전송이득을 안정적으로 조절할 수 있는 이점이 있을 수 있다.

도 1는 본 발명의 실시 예들에 따른 무선 전력 전송장치 및 전자 기기를 개념적으로 나타낸 예시도이다.
도 2의 (a) 및 (b)는 각각 본 명세서에 개시된 실시 예들에서 채용 가능한 무선 전력 전송장치(100) 및 전자 기기(200)의 구성을 예시적으로 나타낸 블록도이다.
도 3은 유도 결합 방식에 따라 무선 전력 전송장치로부터 전자 기기에 무선으로 전력이 전달되는 개념을 도시한다.
도 4는 본 명세서에 개시된 실시 예들에서 채용 가능한 전자기 유도 방식의 무선 전력 전송장치(100) 및 전자 기기(200)의 구성의 일부를 예시적으로 나타낸 블록도이다.
도 5는 본 명세서에 개시된 실시 예들에서 채용 가능한 유도 결합 방식에 따라 전력을 수신하는 하나 이상의 전송 코일들을 가지도록 구성된 무선 전력 전송장치의 블록도이다.
도 6은 공진 결합 방식에 따라 무선 전력 전송장치로부터 전자 기기에 무선으로 전력이 전달되는 개념을 도시한다.
도 7은 본 명세서에 개시된 실시 예들에서 채용 가능한 공진 방식의 무선 전력 전송장치(100) 및 전자 기기(200)의 구성의 일부를 예시적으로 나타낸 블록도이다.
도 8은 본 명세서에 개시된 실시 예들에서 채용 가능한 공진 결합 방식에 따라 전력을 수신하는 하나 이상의 전송 코일들을 가지도록 구성된 무선 전력 전송장치의 블록도이다.
도 9는 도 2의 (a)에 도시된 구성 외에 추가적인 구성을 더 포함하는 무선 전력 전송장치를 나타낸 블록도이다.
도 10은 본 명세서에 개시된 실시 예들에 따른 전자 기기(200)가 이동 단말기 형태로 구현된 경우의 구성을 나타낸다.
도 11은 본 명세서에 개시된 무선 전력 전달에 있어서 무선 전력 신호의 변조 및 복조를 통하여 무선 전력 전송장치와 전자 기기 사이에 패킷을 송수신하는 개념을 도시한다.
도 12는 상기 무선 전력 전송장치(100)가 전력 제어 메시지를 구성하는 데이터 비트 및 바이트의 표시 방법을 도시한다.
도 13은 본 명세서에 개시된 실시 예들을 따르는 무선 전력 전달방법에 사용되는 전력 제어 메시지를 포함하는 패킷을 도시한다.
도 14는 본 명세서에 개시된 실시 예들을 따르는 무선 전력 전송장치(100) 및 전자 기기(200)의 동작 상태들을 도시한다.
도 15 내지 도 19는 상기 무선 전력 전송장치(100) 및 전자 기기(200)간의 전력 제어 메시지를 포함하는 패킷들의 구조를 도시한다.
도 20은 일반적인 무선 전력 전송 시스템을 나타내는 예시도이다.
도 21은 하프-브릿지형 인버터부 및 LC 공진부를 나타내는 회로도이다.
도 22는 풀-브릿지형 인버터부 및 LC 공진부를 나타내는 회로도이다.
도 23은 LC 공진 탱크의 입력전압이 일정할 때 구동 주파수에 따른 전류 크기를 나타내는 그래프이다.
도 24는 직류 입력 전압의 변경을 통한 전송 이득 조절방법을 나타내는 예시도이다.
도 25는 인버터 구동 신호의 듀티 조절을 통한 전송 이득 조절방법을 나타내는 예시도이다.
도 26은 Phase-Shifted Full Bridge 구조를 이용한 전송 이득 조절방법을 나타내는 예시도이다.
도 27은 본 명세서에 개시된 일 실시예에 따른 전송 이득의 조절 기능을 구비한 무선 전력 전송장치의 구성도이다.
도 28은 본 명세서에 개시된 일 실시예에 따른 하프-브릿지형 인버터를 구비하는 무선 전력 전송장치를 나타내는 구성도이다.
도 29는 도 28에 도시된 무선 전력 전송장치의 의한 펄스 스킵 과정을 나타내는 예시도이다.
도 30 및 도 31은 본 명세서에 개시된 일 실시예에 따른 기준 신호의 검출 방법을 나타내는 예시도이다.
도 32 및 도 33은 본 명세서에 개시된 일 실시예에 따른 구체적인 펄스 스킵 방법을 나타내는 예시도이다.
도 34는 본 명세서에 개시된 일 실시예에 따른 전송이득 조절방법이 적용된 풀-브릿지 인버터를 포함하는 무선 전력 전송장치를 나타내는 구성도이다.
도 35는 본 명세서에 일 실시예에 따른 공진 센싱 블록(Resonant sensing block)의 구성을 나타내는 예시도이다.
도 36은 본 명세서에 일 실시예에 따른 피크 검출부(Peak Detector)의 구성을 나타내는 예시도이다.
도 37은 본 명세서에 일 실시예에 따른 풀-브릿지 인버터를 구비하는 무선 전력 전송장치를 나타내는 구성도이다.
도 38은 본 명세서에 개시된 일 실시예에 따른 풀-브릿지 인버터에 의해 구동되는 LC 공진 발진기를 나타내는 예시도이다.
도 39는 도 38에 도시된 LC 공진 발진기에 있어서의 다양한 펄스 스킵방법을 나타내는 예시도이다.
도 40은 본 명세서에 개시된 다른 일 실시예에 따른 무선 전력 전송장치를 나타내는 구성도이다.
도 41은 도 40에 도시된 무선 전력 전송장치의 구체적인 일 실시예를 나타내는 예시도이다.
도 42는 도 41에 도시된 무선 전력 전송장치(100)의 동작을 나타내는 예시도이다.
도 43은 본 명세서에 개시된 일 실시예에 따른 하프-브릿지 인버터 및 LC 공진 발진기 및 동작 파형을 나타내는 예시도이다.
도 44는 동작 모드(모드 1 ~ 모드 4)에 따른 ZVS동작을 나타내는 예시도이다.
도 45는 본 명세서에 개시된 실시예들에 따른 무선 전력 전송방법을 나타내는 순서도이다.

본 명세서에 개시된 기술은 무선 전력 전송(contactless power transfer)에 적용된다. 그러나 본 명세서에 개시된 기술은 이에 한정되지 않고, 상기 기술의 기술적 사상이 적용될 수 있는 모든 전력 전송 시스템 및 방법, 무선 충전회로 및 방법, 그 외 무선으로 전송되는 전력을 이용하는 방법 및 장치에도 적용될 수 있다.

본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 명세서에 개시된 기술의 사상을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 본 명세서에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 명세서에 개시된 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 기술적인 용어가 본 명세서에 개시된 기술의 사상을 정확하게 표현하지 못하는 잘못된 기술적 용어일 때에는, 당업자가 올바르게 이해할 수 있는 기술적 용어로 대체되어 이해되어야 할 것이다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 일반적인 용어는 사전에 정의되어 있는 바에 따라, 또는 전후 문맥상에 따라 해석되어야 하며, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다.

또한, 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.

또한, 본 명세서에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.

또한, 본 명세서에서 사용되는 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예들을 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

또한, 본 명세서에 개시된 기술을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 기술의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 기술의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 그 기술의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.

도 1 - 무선 전력 전송장치 및 전자 기기 개념도

도 1은 본 명세서에 개시된 실시 예들에 따른 무선 전력 전송장치 및 전자 기기를 개념적으로 나타낸 예시도이다.

도 1을 참조하여 알 수 있는 바와 같이, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 전자 기기(200, 또는 무선 전력 수신장치)에게 필요한 전력을 무선으로 전달하는 전력 전달 장치일 수 있다.

또한, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 무선으로 전력을 전달함으로써 상기 전자 기기(200)의 배터리를 충전하는 무선 충전 장치일 수 있다. 상기 무선 전력 전송장치(100)로 구현되는 실시 예는 도 9를 참조하여 후술된다.

그 밖에도, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 접촉되지 않은 상태에서 전원이 필요한 전자 기기(200)에게 전력을 전달하는 여러 가지 형태의 장치로 구현될 수 있다.

상기 전자 기기(200)는 상기 무선 전력 전송장치(100)로부터 무선으로 전력을 수신하여 동작이 가능한 기기이다. 또한, 상기 전자 기기(200)는 상기 수신된 무선 전력을 이용하여 배터리를 충전할 수 있다.

한편, 본 명세서에서 설명되는 무선으로 전력을 수신하는 전자 기기는 휴대가 가능한 모든 전자 기기, 예컨대 키보드, 마우스, 영상 또는 음성의 보조 출력장치 등의 입출력장치를 비롯하여, 휴대폰, 셀룰러폰, 스마트 폰(smart phone), PDA(Personal Digital Assistants), PMP(Portable Multimedia Player)와, 태블릿, 혹은 멀티미디어 기기 등을 포괄하는 의미로 해석되어야 한다.

상기 전자 기기(200)는, 후술되는 바와 같이, 이동 통신 단말기(예컨대 휴대폰, 셀룰러폰, 태블릿) 또는 멀티미디어 기기일 수 있다. 상기 전자 기기(200)가 이동단말기로 구현되는 실시 예는 도 10을 참조하여 후술된다.

한편, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 전자 기기(200)로 상호간 접촉이 없이 무선으로 전력을 전달하기 위하여 하나 이상의 무선 전력 전달 방법을 이용할 수 있다. 즉, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 무선 전력 신호에 의하여 발생하는 전자기 유도 현상에 기초한 유도 결합(Inductive Coupling) 방식과 특정 주파수의 무선 전력 신호에 의하여 발생하는 전자기적 공진 현상에 기초한 공진 결합(Electromagnetic Resonance Coupling) 방식 중 하나 이상을 이용하여 전력을 전달할 수 있다.

상기 유도 결합 방식에 의한 무선 전력 송신은, 1차 코일 및 2차 코일을 이용하여 전력을 무선으로 전송하는 기술로, 하나의 코일에서 전자기 유도 현상에 의하여 생성되는 변화하는 자기장에 의하여 다른 코일 쪽에 전류가 유도됨으로써 전력이 전달되는 것을 말한다.

상기 공진 결합 방식에 의한 무선 전력 송신은, 상기 무선 전력 전송장치(100)에서 전송한 무선 전력 신호에 의하여 상기 전자 기기(200)에서 전자기적 공진이 발생하고, 상기 공진 현상에 의하여 상기 무선 전력 전송장치(100)로부터 상기 전자 기기(200)로 전력이 전달되는 것을 말한다.

이하에서는 본 명세서에 개시된 무선 전력 전송장치(100) 및 전자 기기(200)에 관한 실시 예들이 구체적으로 설명된다. 하기의 각 도면의 구성 요소들에 부가된 참조 부호는 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호가 사용된다.

도 2는 본 명세서에 개시된 실시 예들에서 채용 가능한 무선 전력 전송장치(100) 및 전자 기기(200)의 구성을 예시적으로 나타낸 블록도이다.

도 2A - 무선 전력 전송장치

도 2A를 참조하면, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 전력 전달부(Power Transmission Unit)(110)를 포함하도록 구성된다. 상기 전력 전달부(110)는 전력 변환부(Power Conversion Unit)(111) 및 전력 송신 제어부(Power Transmission Control Unit)(112)를 포함하여 구성될 수 있다.

상기 전력 변환부(111)는 송신측 전원 공급부(190)로부터 공급된 전력을 무선 전력 신호(wireless power signal)로 변환하여 상기 전자 기기(200)로 전달한다. 상기 전력 변환부(111)에 의하여 전달되는 무선 전력 신호는 진동(oscillation)하는 특성을 가진 자기장(magnetic field) 또는 전자기장(electro-magnetic field)의 형태로 형성된다. 이를 위하여 상기 전력 변환부(111)는 상기 무선 전력 신호가 발생하는 코일을 포함하도록 구성될 수 있다.

상기 전력 변환부(111)는 각 전력 전달 방식에 따라 다른 형태의 무선 전력 신호를 형성하기 위한 구성 요소를 포함할 수 있다.

어떤 실시 예들에서는, 상기 전력 변환부(111)는 유도 결합 방식에 따라 상기 전자 기기(200)의 2차 코일에 전류를 유도시키기 위하여 변화하는 자기장을 형성시키는 1차 코일을 포함하도록 구성될 수 있다. 또한 어떤 실시 예들에서는, 상기 전력 변환부(111)는 공진 결합 방식에 따라 상기 전자 기기(200)에 공진 현상을 발생시키기 위하여 특정 공진 주파수를 가진 자기장을 형성시키는 코일(또는 안테나)를 포함하도록 구성될 수 있다.

또한 어떤 실시 예들에서는, 상기 전력 변환부(111)는 전술된 유도 결합 방식과 공진 결합 방식 중 하나 이상의 방법을 이용하여 전력을 전달할 수 있다.

상기 전력 변환부(111)에 포함되는 구성 요소들 중 유도 결합 방식을 따르는 것들에 대하여는 도 4A, 도 4B 및 도 5를 참조하여, 공진 결합 방식을 따르는 것들에 대하여는 도 7A, 도 7B 및 도 8을 참조하여 후술된다.

한편, 상기 전력 변환부(111)는 상기 무선 전력 신호를 형성시키기 위해 사용되는 주파수, 인가되는 전압, 전류 등의 특성을 조절할 수 있는 회로를 더 포함하도록 구성될 수 있다.

상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 전력 전달부(110)에 포함되는 각 구성요소를 제어한다. 어떤 실시 예들에서는, 상기 전력 송신 제어부(112)가 상기 무선 전력 공급 장치(100)를 제어하는 다른 제어부(미도시)와 통합되도록 구현될 수 있다.

한편, 상기 무선 전력 신호가 도달할 수 있는 영역은 두 가지로 구분될 수 있다. 먼저, 활동 영역(active area)은 상기 전자 기기(200)로 전력을 전달하는 무선 전력 신호가 통과하는 영역을 말한다. 다음으로, 감지 영역(semi-active area)은 상기 무선 전력 전송장치(100)가 상기 전자 기기(200)의 존재를 감지할 수 있는 관심 영역을 말한다. 여기서, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 전자 기기(200)가 상기 활동 영역 또는 감지 영역에 배치(placement)되거나 제거(removal)되었는지 여부에 대하여 감지할 수 있다. 구체적으로, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 전력 변환부(111)에서 형성되는 무선 전력 신호를 이용하거나, 별도로 구비된 센서에 의하여 상기 전자 기기(200)가 상기 활동 영역 또는 감지 영역에 배치되었는지 여부를 검출할 수 있다. 예컨대, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 감지 영역에 존재하는 상기 전자 기기(200)로 인하여 상기 무선 전력 신호가 영향을 받아, 상기 전력 변환부(111)의 상기 무선 전력 신호를 형성하기 위한 전력의 특성이 변화하는지 여부를 모니터링함으로써 상기 전자 기기(200)의 존재를 검출할 수 있다. 다만, 상기 활동 영역 및 감지 영역은 유도 결합 방식 및 공진 결합 방식 등의 무선 전력 전달방식에 따라 다를 수 있다.

상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 전자 기기(200)의 존재를 검출한 결과에 따라 상기 전자 기기(200)를 식별하는 과정을 수행하거나, 무선 전력 전송을 시작할 것인지 여부를 결정할 수 있다.

또한, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 무선 전력 신호를 형성하기 위한 상기 전력 변환부(111)의 주파수, 전압, 전류 중 하나 이상의 특성을 결정할 수 있다. 상기 특성의 결정은 상기 무선 전력 전송장치(100) 측의 조건에 의하여 또는 상기 전자 기기(200) 측의 조건에 의하여 이루어질 수 있다. 어떤 실시 예들에서, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 전자 기기(200)의 장치 식별 정보를 기초로 상기 특성을 결정할 수 있다. 어떤 실시 예들에서, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 전자 기기(200)의 요구 전력 정보 또는 그 요구 전력에 대한 프로파일 정보를 기초로 상기 특성을 결정할 수 있다. 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 전자 기기(200)로부터 전력 제어 메시지를 수신할 수 있다. 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 수신된 전력 제어 메시지를 기초로 상기 전력 변환부(111)의 주파수, 전압, 전류 중 하나 이상의 특성을 결정할 수 있으며, 그 밖에 상기 전력 제어 메시지를 기초로 다른 제어 동작을 수행할 수 있다.

예를 들어, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 전자 기기(200)의 정류된 전력량 정보, 충전 상태 정보 및 식별 정보 중 하나 이상을 포함하는 전력 제어 메시지에 따라 상기 무선 전력 신호를 형성시키기 위해 사용되는 주파수, 전류, 전압 중 하나 이상의 특성을 결정할 수 있다.

또한, 상기 전력 제어 메시지를 이용하는 그 밖의 다른 제어 동작으로서, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 무선 전력 전달과 관련된 일반적인 제어 동작을 상기 전력 제어 메시지를 기초로 수행할 수 있다. 예를 들어, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 전력 제어 메시지를 통하여 상기 전자 기기(200)와 관련된 청각적 또는 시각적으로 출력할 정보를 수신하거나, 기기간의 인증 등에 필요한 정보를 수신할 수도 있다.

어떤 실시 예들에서는, 상기 전력 송신 제어부(112)는 이와 같은 상기 전력 제어 메시지를 상기 무선 전력 신호를 통하여 수신할 수 있다. 어떤 실시 예들에서는, 상기 전력 송신 제어부(112)는 사용자 데이터를 수신하는 방법을 통하여 상기 전력 제어 메시지를 수신할 수 있다.

상기 전력 제어 메시지를 수신하기 위하여, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 전력 변환부(111)와 전기적으로 연결된 변복조부(Power Communications Modulation/Demodulation Unit)(113)를 더 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 변복조부(113)는 상기 전자 기기(200)에 의하여 변조된 무선 전력 신호를 복조하여 상기 전력 제어 메시지를 수신하기 위하여 사용될 수 있다. 상기 전력 변환부(111)가 무선 전력 신호를 이용하여 전력 제어 메시지를 수신하는 방법에 대하여 도 11A 내지 도 13을 참조하여 후술된다.

그 밖에, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 무선 전력 전송장치(100)에 포함되어 있는 통신 수단(미도시)에 의하여 전력 제어 메시지가 포함되어 있는 사용자 데이터를 수신함으로써 전력 제어 메시지를 획득할 수도 있다.

본 명세서에 개시된 일 실시예에 따르면, 상기 무선 전력 전송장치(100)은 복수의 전자기기(또는 무선 전력 수신장치)에 전력을 공급할 수 있다. 이 경우, 상기 복수의 전자기기에 의해 변조된 무선 전력 신호들이 충돌할 수 있다. 따라서 상기 무선 전력 전송장치(100)에 포함된 구성요소들은 상기 변조된 무선 전력 신호들의 충돌을 회피하기 위한 다양한 동작을 할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 전력 변환부(111)는 송신측 전원 공급부(190)로부터 공급된 전력을 무선 전력 신호(wireless power signal)로 변환하여 상기 무선 전력 신호를 복수의 전자 기기로 전달할 수 있다. 예를 들어, 상기 복수의 전자 기기는 두 개의 전자기기인 제 1 전자기기 및 제 2 전자기기일 수 있다.

또한, 상기 전력 변환부(111)는 전력 전송을 위한 무선 전력 신호를 형성하고, 상기 무선 전력 신호에 대응하는 제 1 응답신호 및 제 2 응답신호를 수신할 수 있다.

상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 제1 응답 신호 및 제2 응답 신호가 충돌하는지 여부를 판단하고, 상기 판단 결과를 기초로 상기 제 1 응답 신호 및 상기 제 2 응답 신호가 충돌하는 경우 상기 전력 전송을 재설정할 수 있다.

상기 제 1 응답 신호 및 상기 제 2 응답 신호는 각각 제 1 장치 및 제 2 장치에 의하여 상기 무선 전력 신호가 변조되어 생성되는 것일 수 있다.

또한 상기 전력 송신 제어부(112)는, 상기 전력 전송의 재설정 결과, 서로 충돌되지 않도록 형성되는 제 1 응답신호 및 제 2 응답신호가 순차적으로 수신되도록 상기 전력 변환부(111)를 제어할 수 있다.

상기 순차적으로 수신하는 것은, 기결정된 응답 주기 내에서 제 1 시간 간격 후에 상기 제 1 응답신호를 수신하고, 제 2 시간 간격 후에 상기 제 2 응답신호를 수신하는 것일 수 있으며, 상기 제 1 시간 간격 및 상기 제 2 시간 간격은, 난수를 발생시켜 생성된 값을 근거로 결정되는 것일 수 있다.

상기 기결정된 응답주기(Tping interval)는, 상기 제 1 응답신호 및 제 2 응답신호를 모두 포함할 수 있는 시간 이상으로 결정되고, 상기 전력 전송을 재설정한 후 결정되는 것일 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 충돌 발생 여부 판단은, 상기 제 1 응답신호 및 상기 제 2 응답신호가 미리 정해진 포맷을 이용하여 디코딩되는지 여부에 따라 이루어지는 것일 수 있으며, 상기 미리 정해진 포맷은 프리엠블, 헤더 및 메시지를 포함하고, 상기 제 1 응답신호 및 상기 제 2 응답신호의 충돌 여부의 판단은, 상기 프리엡블, 헤더 및 메시지 중 적어도 하나가 충돌로 인한 오류가 발생하여 상기 제 1 응답신호 및 상기 제 2 응답신호를 복원할 수 없는지 여부를 기준으로 판단하는 것일 수 있다.

또한 일 실시예에 따르면, 상기 전력 변환부(111)는 상기 제 2 장치의 응답신호와 충돌되지 않는 상기 제 1 장치의 응답신호를 제 1 응답주기(Tping interval_1) 내에서 주기적으로 수신하고, 상기 전력 송신 제어부는, 상기 제 1 응답신호 및 상기 제 2 응답신호를 미리 정해진 포맷을 이용하여 디코딩하고, 상기 디코딩이 이루어지는지 여부를 기초로 상기 제 1 응답신호 및 상기 제 2 응답신호의 충돌 발생 여부를 판단하는 것일 수 있다. 여기서, 상기 제 1 응답신호 및 제 2 응답신호는 제 2 응답주기(Tping interval_2) 내에서 주기적으로 수신되고, 상기 제 2 응답주기(Tping interval_2)는 상기 제 1 응답신호 및 제 2 응답신호를 모두 포함할 수 있는 시간 이상으로 결정되고, 상기 전력 전송을 재설정한 후 결정되는 것일 수 있다.

도 2B - 전자 기기

도 2B를 참조하면, 상기 전자 기기는(200)는 전원 공급부(290)를 포함하도록 구성된다. 상기 전원 공급부(290)는 상기 전자 기기(200)의 작동에 필요한 전력을 공급한다. 상기 전원 공급부(290)는 전력 수신부(291) 및 전력 수신 제어부(292)를 포함하여 구성될 수 있다.

상기 전력 수신부(291)는 상기 무선 전력 전송장치(100)로부터 무선으로 전달되는 전력을 수신한다.

상기 전력 수신부(291)는 무선 전력 전달 방식에 따라 상기 무선 전력 신호를 수신하기 위해 필요한 구성 요소를 포함할 수 있다. 또한, 상기 전력 수신부(291)는 하나 이상의 무선 전력 전달 방식에 따라 전력을 수신할 수 있으며, 이 경우 상기 전력 수신부(291)는 각 방식에 따라 필요한 서로 구성 요소들을 함께 포함할 수 있다.

먼저, 상기 전력 수신부(291)는 진동하는 특성을 가진 자기장 또는 전자기장의 형태로 전달되는 무선 전력 신호를 수신하기 위한 코일을 포함하도록 구성될 수 있다.

예컨대, 어떤 실시 예들에서는, 상기 전력 수신부(291)가 유도 결합 방식에 따른 구성 요소로서 변화되는 자기장에 의하여 전류가 유도되는 2차 코일을 포함할 수 있다. 또한, 어떤 실시 예들에서는, 상기 전력 수신부(291)가 공진 결합 방식에 따른 구성 요소로서 특정 공진 주파수를 가진 자기장에 의하여 공진 현상이 발생되는 코일 및 공진 형성 회로를 포함할 수 있다.

다만, 어떤 실시 예들에서는 상기 전력 수신부(291)가 하나 이상의 무선 전력 전달 방식에 따라 전력을 수신할 수 있으며, 이러한 경우 상기 전력 수신부(291)는 하나의 코일을 이용하여 수신하도록 구현되거나, 또는 각 전력 전달 방식에 따라 다르게 형성된 코일을 이용하여 수신하도록 구현될 수 있다.

상기 전력 수신부(291)에 포함되는 구성 요소들 중 유도 결합 방식을 따르는 실시 예들에 대하여는 도 4A 또는 도 4B를 참조하여, 공진 결합 방식을 따르는 실시 예들에 대하여는 도 7A 또는 도 7B을 참조하여 후술된다.

한편, 상기 전력 수신부(291)는 상기 무선 전력 신호를 직류로 변환하기 위한 정류 회로(rectifier) 및 평활 회로(regulator)를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 전력 수신부(291)는 수신된 전력 신호에 의하여 과전압 또는 과전류가 발생하지 않도록 방지하는 회로를 더 포함할 수 있다.

상기 전력 수신 제어부(292)는 상기 전원 공급부(290)에 포함되는 각 구성요소를 제어한다.

구체적으로, 상기 전력 수신 제어부(292)는 상기 무선 전력 전송장치(100)로 전력 제어 메시지를 전달할 수 있다. 상기 전력 제어 메시지는 상기 무선 전력 전송장치(100)에게 무선 전력 신호의 전달을 개시하거나 종료하도록 지시하는 것일 수 있다. 또한 상기 전력 제어 메시지는 상기 무선 전력 전송장치(100)에게 상기 무선 전력 신호의 특성을 조절하도록 지시하는 것일 수 있다.

어떤 실시 예들에서는, 상기 전력 수신 제어부(292)가 상기 전력 제어 메시지를 상기 무선 전력 신호를 통하여 전송할 수 있다. 또한, 어떤 실시 예들에서는, 상기 전력 수신 제어부(292)가 사용자 데이터를 통하여 전송하는 방법을 통하여 상기 전력 제어 메시지를 전송할 수 있다.

상기 전력 제어 메시지를 전송하기 위하여, 상기 전자 기기(200)는 상기 전력 수신부(291)와 전기적으로 연결된 변복조부(Power Communications Modulation/Demodulation Unit)(293)를 더 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 변복조부(293)는, 전술된 상기 무선 전력 전송장치(100)의 경우와 마찬가지로, 상기 무선 전력 신호를 통하여 상기 전력 제어 메시지를 전송하기 위하여 사용될 수 있다. 상기 변복조부(293)는 상기 무선 전력 송신장치(100)의 전력 변환부(111)를 흐르는 전류 및/또는 전압을 조절하는 수단으로 사용될 수 있다. 이하, 상기 무선 전력 전송장치(100) 측과 상기 전자 기기(200) 측의 각각의 변복조부(113 및 293)가 무선 전력 신호를 통한 전력 제어 메시지의 송수신을 위하여 사용되는 방법에 대하여 설명된다.

상기 전력 변환부(111)에 의하여 형성된 무선 전력 신호는 상기 전력 수신부(291)에 의하여 수신된다. 이때, 상기 전력 수신 제어부(292)는 상기 무선 전력 신호를 변조(modulation)하도록 상기 전자 기기(200) 측의 변복조부(293)를 제어한다. 예컨대, 상기 전력 수신 제어부(292)는 상기 전력 수신부(291)과 연결된 변복조부(293)의 리액턴스(reactance)를 변경시킴으로써 상기 무선 전력 신호로부터 수신하는 전력량이 그에 따라 변하도록 변조 과정을 수행할 수 있다. 상기 무선 전력 신호로부터 수신되는 전력량의 변경은 상기 무선 전력 신호를 형성시키는 상기 전력 변환부(111)의 전류 및/또는 전압의 변경을 가져온다. 이 때, 상기 무선 전력 전송장치(100) 측의 변복조부(113)는 상기 전력 변환부(111)의 전류 및/또는 전압의 변경을 감지하여 복조(demodulation) 과정을 수행한다.

즉, 상기 전력 수신 제어부(292)는 상기 무선 전력 전송장치(100)에게 전달하고자 하는 전력 제어 메시지를 포함하는 패킷(packet)을 생성하여 상기 패킷이 포함되도록 상기 무선 전력 신호를 변조하고, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 변복조부(113)의 복조 과정 수행 결과를 기초로 상기 패킷을 디코딩(decoding)함으로써, 상기 패킷에 포함되어 있는 상기 전력 제어 메시지를 획득할 수 있다. 상기 무선 전력 전송장치(100)가 상기 전력 제어 메시지를 획득하는 구체적인 방법에 대해서는 도 11A 내지 도 13을 참조하여 후술된다.

그 밖에, 어떤 실시 예들에서, 상기 전력 수신 제어부(292)는 상기 전자 기기(200)에 포함되어 있는 통신 수단(미도시)에 의하여 전력 제어 메시지가 포함되어 있는 사용자 데이터를 전송함으로써 전력 제어 메시지를 상기 무선 전력 전송장치(100)로 전송할 수도 있다.

그 밖에, 상기 전원 공급부(290)는 충전부(298) 및 배터리(299)를 더 포함하도록 구성될 수 있다.

상기 전원 공급부(290)로부터 동작을 위한 전원을 공급받는 상기 전자 기기(200)는 상기 무선 전력 전송장치(100)로부터 전달된 전력에 의하여 동작하거나, 또는 상기 전달된 전력을 이용하여 상기 배터리(299)를 충전한 후 상기 배터리(299)에 충전된 전력에 의하여 동작할 수 있다. 이때, 상기 전력 수신 제어부(292)는 상기 전달된 전력을 이용하여 충전을 수행하도록 상기 충전부(298)를 제어할 수 있다.

본 명세서에 개시된 일 실시예에 따르면, 복수의 전자기기가 상기 무선 전력 전송장치(100)로부터 전력을 공급받을 수 있다. 이 경우, 상기 복수의 전자기기에 의해 변조된 무선 전력 신호들이 충돌할 수 있다. 따라서 상기 전자 기기(200)에 포함된 구성요소들은 상기 변조된 무선 전력 신호들의 충돌을 회피하기 위한 다양한 동작을 할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 전력 수신부(291)는 무선 전력 전송장치로부터 전력 전송을 위한 무선 전력 신호를 수신할 수 있다.

이 경우, 상기 전력 수신 제어부(292)는 상기 전력 수신부(291)가 상기 무선 전력 신호에 대응하는 제 3 응답신호를 제 1 응답주기(Tping interval_1) 내에서 제 1 시간으로 설정된 시간 간격 후에 전송하도록 제어할 수 있다.

또한 일 실시예에 따르면, 상기 전력 수신 제어부(292)는 상기 변조된 무선 전력 신호들의 충돌로 인하여 상기 무선 전력 전송장치(100)의 전력 전송이 재설정되었는지 판단하고, 상기 판단 결과를 기초로, 상기 전력 전송이 재설정된 경우 상기 시간 간격을 제 2 시간으로 설정할 수 있다.

또한 일 실시예에 따르면, 상기 전력 수신 제어부(292)는 상기 전력 수신부(291)가 상기 무선 전력 신호에 대응하는 제 4 응답신호를 제 2 응답주기(Tping interval_2) 내에서 상기 제 2 시간으로 설정된 시간간격 후에 전송하도록 제어할 수 있고, 상기 제 2 시간은, 난수를 발생시켜 생성된 값을 근거로 결정되는 것일 수 있다.

이하에서, 본 명세서에 개시된 실시 예들에 적용 가능한 무선 전력 전송장치 및 전자 기기에 대하여 설명된다.

먼저, 도 3 내지 도 5를 참조하여 유도 결합 방식을 지원하는 실시 예들에 따라, 상기 무선 전력 전송장치가 상기 전자 기기로 전력을 전달하는 방법이 개시된다.

도 3 - 유도 결합 방식

도 3은 유도 결합 방식을 지원하는 실시 예들에 따라 무선 전력 전송장치로부터 전자 기기에 무선으로 전력이 전달되는 개념을 도시한다.

무선 전력 전송장치(100)의 전력 전달이 유도 결합 방식을 따르는 경우, 상기 전력 전달부(110) 내의 1차 코일(primary coil)에 흐르는 전류의 세기가 변화되면, 그 전류에 의해 1차 코일을 통과하는 자기장이 변화한다. 이와 같이 변화된 자기장은 상기 전자 기기(200) 내의 2차 코일(secondary coil) 측에 유도 기전력을 발생시킨다.

이 방식에 따르면, 상기 무선 전력 전송장치(100)의 상기 전력 변환부(111)는 자기 유도에서의 1차 코일로 동작하는 전송 코일(Tx coil)(1111a)를 포함하도록 구성된다. 또한 상기 전자 기기(200)의 상기 전력 수신부(291)는 자기 유도에서의 2차 코일로 동작하는 수신 코일(Rx coil)(2911a)을 포함하도록 구성된다.

먼저 상기 무선 전력 전송장치(100) 측의 상기 전송 코일(1111a)과 상기 전자 기기(200) 측의 수신 코일이 근접하도록 상기 무선 전력 전송장치(100) 및 상기 전자 기기(200)를 배치한다. 그 후 상기 전력 송신 제어부(112)가 상기 전송 코일(1111a)의 전류가 변화되도록 제어하면, 상기 전력 수신부(291)는 상기 수신 코일(2911a)에 유도된 기전력을 이용하여 상기 전자 기기(200)에 전원을 공급하도록 제어한다.

상기 유도 결합 방식에 의한 무선 전력 전달의 효율은, 주파수 특성에 따른 영향은 적으나, 각 코일을 포함하는 상기 무선 전력 전송장치(100) 및 상기 전자 기기(200) 사이의 배열(alignment) 및 거리(distance)의 영향을 받게 된다.

한편, 유도 결합 방식에 의한 무선 전력 전달을 위하여 상기 무선 전력 전송장치(100)는 평평한 표면(flat surface) 형태의 인터페이스 표면(interface surface)(미도시)을 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 인터페이스 표면의 상부에는 하나 이상의 전자 기기가 놓일 수 있으며, 상기 인터페이스 표면의 하부에는 상기 전송 코일(1111a)가 장착될 수 있다. 그 경우, 상기 인터페이스 표면의 하부에는 장착된 상기 전송 코일(1111a)과 상기 인터페이스 표면의 상부에 위치한 전자 기기(200)의 수신 코일(2911a) 사이의 수직 공간(vertical spacing)이 작게 형성됨으로써 상기 코일들 간의 거리는 유도 결합 방식에 의한 무선 전력 전달이 효율적으로 이루어질 수 있도록 충분히 작게 된다.

또한, 상기 인터페이스 표면의 상부에는 상기 전자 기기(200)가 놓일 위치를 지시하는 배열 지시부(미도시)가 형성될 수 있다. 상기 배열 지시부는 상기 인터페이스 표면의 하부에 장착된 전송 코일(1111a)과 상기 수신 코일(2911a) 사이의 배열이 적합하게 이루어질 수 있는 상기 전자 기기(200)의 위치를 지시한다. 어떤 실시 예들에서, 상기 배열 지시부는 단순한 표시(marks)일 수 있다. 어떤 실시 예들에서는, 상기 배열 지시부가 상기 전자 기기(200)의 위치를 가이드하는 돌출 구조의 형태로 형성될 수 있다. 또한 어떤 실시 예들에서는, 상기 배열 지시부가 상기 인터페이스 표면의 하부에 장착되는 자석과 같은 자성체의 형태로 형성되어, 상기 전자 기기(200) 내부에 장착된 다른 극의 자성체와의 상호간 인력에 의하여 상기 코일들이 적합한 배열을 이루도록 가이드할 수도 있다.

한편, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 하나 이상의 전송 코일을 포함하도록 형성될 수 있다. 상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 하나 이상의 전송 코일 중에서 상기 전자 기기(200)의 수신 코일(2911a)과 적합하게 배열된 일부의 코일을 선택적으로 이용하여 전력 전송 효율을 높일 수 있다. 상기 하나 이상의 전송 코일을 포함하는 무선 전력 전송장치(100)에 관하여 도 5를 참조하여 후술된다.

이하에서는, 본 명세서에 개시된 실시 예들에 적용 가능한 유도 결합 방식의 무선 전력 전송장치 및 전자 기기의 구성에 대하여 구체적으로 설명된다.

도 4A 및 도 4B - 유도 결합 방식의 무선 전력 전송장치 및 전자 기기

도 4A 및 도 4B는 본 명세서에 개시된 실시 예들에서 채용 가능한 전자기 유도 방식의 무선 전력 전송장치(100) 및 전자 기기(200)의 구성의 일부를 예시적으로 나타낸 블록도이다. 도 4A를 참조하여 상기 무선 전력 전송장치(100)에 포함된 상기 전력 전달부(110)의 구성에 대하여 설명하고, 도 4B를 참조하여 상기 전자 기기(200)에 포함된 상기 전원 공급부(290)의 구성에 대하여 설명한다.

도 4A를 참조하면, 상기 무선 전력 전송장치(100)의 상기 전력 변환부(111)는 전송 코일(Tx coil)(1111a) 및 인버터(1112)를 포함하도록 구성될 수 있다.

상기 전송 코일(1111a)는, 전술된 바와 같이, 전류의 변화에 따라 무선 전력 신호에 해당하는 자기장을 형성한다. 어떤 실시 예들에서, 상기 전송 코일(1111a)은 평판 나선형태(Planar Spiral type)로 구현될 수 있다. 또한, 어떤 실시 예들에서는 상기 전송 코일(1111a)이 원통형 솔레노이드 형태(Cylindrical Solenoid type)로 구현될 수 있다.

상기 인버터(1112)는 상기 전원 공급부(190)로부터 얻은 직류 입력(DC input)을 교류 파형(AC waveform)으로 변형시킨다. 상기 인버터(1112)에 의해 변형된 교류 전류는 상기 전송 코일(1111a) 및 커패시터(capacitor)(미도시)를 포함하는 진동 회로(resonant circuit)를 구동시킴으로써 자기장이 상기 전송 코일(1111a)에서 형성된다.

그 밖에, 상기 전력 변환부(111)는 위치 결정부(Positioning Unit)(1114)를 더 포함하도록 구성될 수 있다.

상기 위치 결정부(1114)는 상기 유도 결합 방식에 의한 무선 전력 전달의 효율을 높이기 위하여 상기 전송 코일(1111a)을 이동 또는 회전시킬 수 있다. 이는, 전술된 바와 같이, 유도 결합 방식에 의한 전력 전달은 1차 및 2차 코일을 포함하는 상기 무선 전력 전송장치(100) 및 상기 전자 기기(200) 사이의 배열(alignment) 및 거리(distance)의 영향을 받기 때문이다. 특히, 상기 위치 결정부(1114)는 상기 전자 기기(200)가 상기 무선 전력 전송장치(100)의 활동 영역 내에 존재하지 않는 경우에 사용될 수 있다.

따라서, 상기 위치 결정부(1114)는 상기 무선 전력 전송장치(100)의 상기 전송 코일(1111a)과 및 상기 전자 기기(200)의 상기 수신 코일(2911a)의 중심간 거리(distance)가 일정 범위 이내가 되도록 상기 전송 코일(1111a)을 이동시키거나, 상기 전송 코일(1111a)과 상기 수신 코일(2911a)의 중심이 중첩되도록 상기 전송 코일(1111a)를 회전시키는 구동부(미도시)를 포함하도록 구성될 수 있다.

이를 위하여, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 전자 기기(200)의 위치를 감지하는 센서로 이루어진 위치 감지부(detection unit)(미도시)를 더 구비할 수 있고, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 위치 감지 센서로부터 수신한 상기 전자 기기(200)의 위치 정보를 기초로 상기 위치 결정부(1114)를 제어할 수 있다.

또한, 이를 위하여 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 변복조부(113)를 통하여 상기 전자 기기(200)와의 배열 또는 거리에 대한 제어 정보를 수신하고, 상기 수신된 배열 또는 거리에 대한 제어 정보를 기초로 상기 위치 결정부(1114)를 제어할 수 있다.

만약, 상기 전력 변환부(111)가 복수의 전송 코일을 포함하도록 구성되었다면, 상기 위치 결정부(1114)는 상기 복수의 전송 코일 중에서 어느 것이 전력 전달을 위하여 사용될 것인지 결정할 수 있다. 상기 복수의 전송 코일을 포함한 무선 전력 전송장치(100)의 구성에 대해서는 도 5를 참조하여 후술된다.

한편, 상기 전력 변환부(111)는 전력 센싱부(1115)를 더 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 무선 전력 전송장치(100) 측의 전력 센싱부(1115)는 상기 전송 코일(1111a)에 흐르는 전류 또는 전압을 모니터링한다. 상기 전력 센싱부(1115)는 무선 전력 전송장치(100)의 정상동작 여부를 확인하기 위한 것으로, 외부로부터 공급되는 전원의 전압 또는 전류를 검출하고, 상기 검출된 전압 또는 전류가 임계값을 초과하는지를 확인할 수 있다. 상기 전력 센싱부(1115)는, 도시되지 않았으나, 외부로부터 공급되는 전원의 전압 또는 전류를 검출하기 위한 저항과 상기 검출된 전원의 전압값 또는 전류값과 임계값을 비교하여 그 비교 결과를 출력하는 비교기를 포함할 수 있다. 상기 전력 센싱부(1115)의 상기 확인 결과를 기초로, 상기 전력 송신 제어부(112)는 스위칭부(미도시)를 제어하여 상기 전송 코일(1111a)로 인가되는 전원을 차단할 수 있다.

도 4B를 참조하면, 상기 전자 기기(200)의 상기 전원 공급부(290)는 수신 코일(Rx 코일)(2911a) 및 정류 회로(2913)를 포함하도록 구성될 수 있다.

상기 전송 코일(1111a)로부터 형성된 자기장에 변화에 의하여 상기 수신 코일(2911a)에서 전류가 유도된다. 상기 수신 코일(2911a)의 구현 형태는, 상기 전송 코일(1111a)의 경우와 마찬가지로 실시 예들에 따라, 평판 나선 형태 또는 원통형 솔레노이드 형태일 수 있다.

또한, 무선 전력의 수신 효율을 높이거나 공진 감지(resonant detection)를 위해 직/병렬 커패시터들(series and parallel capacitors)이 상기 수신 코일(2911a)과 연결되도록 구성될 수 있다.

상기 수신 코일(2911a)은 단일 코일 또는 복수의 코일 형태일 수 있다.

상기 정류 회로(2913)는 교류를 직류로 변환시키기 위하여 전류에 대하여 전파 정류(full-wave rectification)를 수행한다. 상기 정류 회로(2913)는, 예컨대, 4개의 다이오드로 이루어진 브릿지(full bridge) 정류 회로, 또는 능동 소자(active components)를 이용한 회로로 구현될 수 있다.

그 밖에, 상기 정류 회로(2913)는 정류된 전류를 보다 평탄하고 안정적인 직류로 만들어 주는 평활 회로(regulator)를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 정류 회로(2913)의 출력 전원은 상기 전원 공급부(290)의 각 구성 요소들에게 공급된다. 또한, 상기 정류 회로(2913)은 출력되는 직류 전원을 상기 전원 공급부(290)의 각 구성 요소(예컨대, 충전부(298)와 같은 회로)에 필요한 전원에 맞추기 위하여 적정한 전압으로 변환하는 직류-직류 변환기(DC-DC converter)를 더 포함할 수 있다.

상기 변복조부(293)는 상기 전력 수신부(291)과 연결되고, 직류 전류에 대해서는 저항(resistance)이 변하는 저항성 소자로 구성될 수 있고, 교류 전류에 대해서는 리액턴스(reactance)가 변하는 용량성 소자로 구성될 수 있다. 상기 전력 수신 제어부(292)는 상기 변복조부(293)의 저항 또는 리액턴스를 변경시킴으로써 상기 전력 수신부(291)에 수신되는 무선 전력 신호를 변조할 수 있다.

한편, 상기 전원 공급부(290)는 전력 센싱부(2914)를 더 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 전자 기기(200) 측의 전력 센싱부(2914)는 상기 정류 회로(2913)에 의하여 정류된 전원의 전압 및/또는 전류를 모니터링하고, 상기 모니터링 결과 상기 정류된 전원의 전압 및/또는 전류가 임계값을 초과하는 경우 상기 전력 수신 제어부(292)는 적절한 전력을 전달하도록 상기 무선 전력 전송장치(100)에게 전력 제어 메시지를 송신한다.

도 5 - 하나 이상의 전송 코일을 포함하여 구성된 무선 전력 전송장치

도 5는 본 명세서에 개시된 실시 예들에서 채용 가능한 유도 결합 방식에 따라 전력을 수신하는 하나 이상의 전송 코일들을 가지도록 구성된 무선 전력 전송장치의 블록도이다.

도 5를 참조하면, 본 명세서에 개시된 실시 예들을 따르는 무선 전력 전송장치(100)의 전력 변환부(111)는 하나 이상의 전송 코일들(1111a-1 내지 1111a-n)로 구성될 수 있다. 상기 하나 이상의 전송 코일들(1111a-1 내지 1111a-n)은 부분적으로 겹치는 1차 코일들의 배열(an array of partly overlapping primary coils)일 수 있다. 상기 하나 이상의 전송 코일들 중 일부에 의하여 활동 영역이 결정될 수 있다.

상기 하나 이상의 전송 코일들(1111a-1 내지 1111a-n)은 상기 인터페이스 표면의 하부에 장착될 수 있다. 또한, 상기 전력 변환부(111)는 상기 하나 이상의 전송 코일들(1111a-1 내지 1111a-n) 중 일부의 코일들의 연결을 수립하고 해제하는 다중화기(Multiplexer)(1113)를 더 포함할 수 있다.

상기 인터페이스 표면의 상부에 놓인 전자 기기(200)의 위치가 감지되면, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 전자 기기(200)의 감지된 위치를 고려하여 상기 하나 이상의 전송 코일들(1111a-1 내지 1111a-n) 중 상기 전자 기기(200)의 수신 코일(2911a)과 유도 결합 관계에 놓일 수 있는 코일들이 연결될 수 있도록 상기 다중화기(1113)를 제어할 수 있다.

이를 위하여 상기 전력 송신 제어부(112)가 상기 전자 기기(200)의 위치 정보를 획득할 수 있다. 어떤 실시 예들에서는, 상기 전력 송신 제어부(112)가 상기 무선 전력 전송장치(100)에 구비된 상기 위치 감지부(미도시)에 의하여 상기 인터페이스 표면 상의 상기 전자 기기(200)의 위치를 획득할 수 있다. 또 다른 실시 예들에서는, 상기 전력 송신 제어부(112)가 상기 하나 이상의 전송 코일들(1111a-1 내지 1111a-n)을 각각 이용하여 상기 인터페이스 표면 상의 물체로부터 무선 전력 신호의 강도를 나타내는 전력 제어 메시지 또는 상기 물체의 식별 정보를 나타내는 전력 제어 메시지를 수신하고, 상기 수신된 결과를 기초로 상기 하나 이상의 전송 코일들 중 어느 코일의 위치와 근접한지를 판단함으로써 상기 전자 기기(200)의 위치 정보를 획득할 수 있다.

한편, 상기 활동 영역은 상기 인터페이스 표면의 일부로서, 상기 무선 전력 전송장치(100)가 상기 전자 기기(200)에 무선으로 전력을 전달할 때 높은 효율의 자기장이 통과할 수 있는 부분을 의미할 수 있다. 이 때, 상기 활동 영역을 통과하는 자기장을 형성시키는 단일 전송 코일 또는 하나 이상의 전송 코일들의 조합을 주요 셀(primary cell)로 지칭할 수 있다. 따라서, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 전자 기기(200)의 감지된 위치를 기초로 활동 영역을 결정하고, 상기 활동 영역에 대응되는 주요 셀의 연결을 수립하여 상기 전자 기기(200)의 수신 코일(2911a)와 상기 주요 셀에 속한 코일들이 유도 결합 관계에 놓일 수 있도록 상기 다중화기(1113)을 제어할 수 있다.

한편, 상기 하나 이상의 전송코일들(1111a-1 내지 1111a-n)을 포함하도록 구성된 무선 전력 전송장치(100)의 인터페이스 표면 상에 하나 이상의 전자 기기(200)들이 배치된 경우, 상기 전력 송신 제어부(112)는 각 전자 기기의 위치에 대응되는 주요 셀에 속하는 코일들이 각각 유도 결합 관계에 놓이도록 상기 다중화기(1113)를 제어할 수 있다. 이로 인하여, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 각각 다른 코일을 이용하여 무선 전력 신호를 형성함으로써 하나 이상의 전자 기기들에게 무선으로 전력을 전달할 수 있다.

또한, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 전자 기기들에 대응되는 코일들에 대하여 각각 다른 특성을 가진 전원이 공급되도록 설정할 수 있다. 이 경우 상기 무선 전력 전송장치(100)는 전자 기기 별로 다른 전력 전달 방식, 효율, 특성 등을 설정하여 전력을 전달할 수 있다. 하나 이상의 전자 기기들을 위한 전력 전달에 대하여 도 28을 참조하여 후술된다.

한편, 상기 전력 변환부(111)는 연결된 코일들과 진동 회로(resonant circuit)를 형성하도록 임피던스를 조절하는 임피던스 매칭부(impedance matching unit)(미도시)를 더 포함할 수 있다.

이하에서, 도 6 내지 도 8을 참조하여 공진 결합 방식을 지원하는 실시 예들에 따라 무선 전력 전송장치가 전력을 전달하는 방법이 개시된다.

도 6 - 공진 결합 방식

도 6은 공진 결합 방식을 지원하는 실시 예들에 따라 무선 전력 전송장치로부터 전자 기기에 무선으로 전력이 전달되는 개념을 도시한다.

먼저, 공진(resonance)(또는 공명)에 대해 간략하게 설명하면 다음과 같다. 공진(resonance)이란, 진동계가 그 고유 진동수와 같은 진동수를 가진 외력을 주기적으로 받아 진폭이 뚜렷하게 증가하는 현상을 말한다. 공진은 역학적 진동 및 전기적 진동 등 모든 진동에서 일어나는 현상이다. 일반적으로 외부에서 진동계에 진동시킬 수 있는 힘을 가했을 때 그 진동계의 고유 진동수와 외부에서 가해주는 힘의 진동수가 같으면 그 진동은 심해지고 진폭도 커진다.

같은 원리로, 일정 거리 내에서 떨어져 있는 복수의 진동체들이 서로 동일한 주파수로 진동하는 경우, 상기 복수의 진동체들은 상호 공진하며, 이 경우 상기 복수의 진동체들 간에는 저항이 감소하게 된다. 전기 회로에서는 인덕터와 커패시터를 사용하여 공진 회로를 만들 수 있다.

무선 전력 전송장치(100)의 전력 전달이 공진 결합 방식을 따르는 경우, 상기 전력 전달부(110)에서 교류 전원에 의하여 특정한 진동 주파수를 가진 자기장이 형성된다. 상기 형성된 자기장에 의하여 상기 전자 기기(200)에서 공진 현상이 일어나는 경우 상기 전자 기기(200) 내에서는 상기 공진 현상에 의하여 전력이 발생된다.

전술한 바와 같이 복수의 진동체들이 전자기적으로 상호 공진하면 상기 복수의 진동체들 이외의 주변 물체들에 영향을 받지 않기 때문에 전력전송효율이 매우 높을 수 있다. 이렇게 전자기적으로 상호 공진하는 복수의 진동체들 사이에는 에너지 터널(tunnel)이 발생할 수 있다. 이를 에너지 커플링(coupling) 또는 에너지 꼬리(tail)이라고 하기도 한다.

본 명세서에 개시된 공진 결합 방식은 낮은 주파수를 가지는 전자기파를 사용할 수 있는데, 낮은 주파수를 가지는 전자기파를 이용하여 전력을 전송하는 경우, 상기 전자기파의 단일파장내에 위치하는 영역에는 거의 자기장만이 영향을 끼지게 된다. 이를 자기적 결합(magnetic coupling) 또는 자기적 공진(magnetic resonance)라고 할 수 있다. 이러한 자기적 공진은 상기 낮은 주파수를 가지는 전자기파의 단일파장 내에 상기 무선 전력 전송장치(100)와 상기 전자 기기(200)가 위치할 때 발생될 수 있다.

이 경우, 공진 현상으로 인한 에너지 꼬리(energy tail)가 형성되어 전력 전송형태가 비방사성(non- radiative)을 띄게 된다. 이러한 이유로 전자기파를 이용하여 전송하여 전력을 전송함에 의해 흔히 발생될 수 있는 방사성(radiative)문제가 해결될 수 있다.

상기 공진 결합 방식은 위에서 기술된 바와 같이 낮은 주파수를 가지는 전자기파를 이용하여 전력을 전달하는 방식일 수 있다. 그러므로 상기 무선 전력 전송장치(100)의 상기 전송 코일(1111b)은 원칙적으로 전력을 전달하기 위한 자기장 또는 전자기파를 형성할 수 있지만 이하에서 공진 결합 방식에 대해서는 자기장 공진(magnetic resonance)측면, 즉, 자기장에 의한 전력 전달의 측면에서 기술하기로 한다.

공진 주파수는, 예를 들어, 다음 수학식 1과 같은 수식에 의하여 결정될 수 있다.

여기서, 공진 주파수(f)는 회로 내의 인덕턴스(L) 및 커패시턴스(C)에 의하여 결정된다. 코일을 사용하여 자기장을 형성하는 회로에 있어서 상기 인덕턴스는 상기 코일의 회전 수 등에 의하여 결정되고, 상기 커패시턴스는 상기 코일 사이의 간격, 면적 등에 의하여 결정될 수 있다. 상기 공진 주파수를 결정하기 위하여 상기 코일 외에 용량성 공진 형성 회로가 연결되도록 구성될 수도 있다.

도 6을 참조하면, 공진 결합 방식에 따라 무선으로 전력이 전송되는 실시 예들의 경우, 상기 무선 전력 전송장치(100)의 상기 전력 변환부(111)는 자기장이 형성되는 전송 코일(Tx coil)(1111b) 및 상기 전송 코일(1111b)와 연결되고 특정한 진동 주파수를 결정하기 위한 공진 형성 회로(1116)를 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 공진 형성 회로(1116)는 용량성 회로(capacitors)를 이용하여 구현될 수 있으며, 상기 전송 코일(1111b)의 인덕턴스 및 상기 공진 형성 회로(1116)의 커패시턴스를 기초로 상기 특정한 진동 주파수가 결정된다.

상기 공진 형성 회로(1116)의 회로 소자의 구성은 상기 전력 변환부(111)가 자기장을 형성할 수 있도록 다양한 형태로 이루어질 수 있으며, 도 6과 같이 상기 전송 코일(1111b)과 병렬로 연결되는 형태로 제한되지 아니한다.

또한, 상기 전자 기기(200)의 상기 전력 수신부(291)는 상기 무선 전력 전송장치(100)에서 형성된 자기장에 의하여 공진 현상이 일어날 수 있도록 구성된 공진 형성 회로(2912) 및 수신 코일(Rx coil)(2911b)을 포함한다. 즉, 상기 공진 형성 회로(2912)는 역시 용량성 회로를 이용하여 구현될 수 있으며, 상기 공진 형성 회로(2912)는 상기 수신 코일(2911b)의 인덕턴스와 상기 공진 형성 회로(2912)의 커패시턴스를 기초로 결정되는 공진 주파수가 상기 형성된 자기장의 공진 주파수와 동일하도록 구성된다.

상기 공진 형성 회로(2912)의 회로 소자의 구성은 상기 전력 수신부(291)가 상기 자기장에 의하여 공진이 일어날 수 있도록 다양한 형태로 이루어질 수 있으며, 도 6과 같이 상기 수신 코일(2911b)과 직렬로 연결되는 형태로 제한되지 아니한다.

상기 무선 전력 전송장치(100)에서의 상기 특정한 진동 주파수는 LTx, CTx를 가지고 상기 수학식 1을 이용하여 획득될 수 있다. 여기서, 상기 전자 기기(200)의 LRX 및 CRX를 상기 수학식 1에 대입한 결과가 상기 특정한 진동 주파수와 동일한 경우에 상기 전자 기기(200)에서는 공진이 일어난다.

공진 결합에 의한 무선 전력 전송 방식을 지원하는 실시 예들에 따르면, 상기 무선 전력 전송장치(100) 및 상기 전자 기기(200)가 각각 동일 주파수로 공진하는 경우 전자파가 근거리 전자장을 통해 전달되게 되므로, 주파수가 다르면 상기 기기간 에너지 전달이 없게 된다.

따라서, 상기 공진 결합 방식에 의한 무선 전력 전달의 효율은, 주파수 특성에 따른 영향이 큰 반면, 각 코일을 포함하는 상기 무선 전력 전송장치(100) 및 상기 전자 기기(200) 사이의 배열 및 거리에 따른 영향은 유도 결합 방식에 비해 상대적으로 작다.

이하에서는, 본 명세서에 개시된 실시 예들에 적용 가능한 공진 결합 방식의 무선 전력 전송장치 및 전자 기기의 구성에 대하여 구체적으로 설명된다.

도 7A 및 도 7B - 공진 결합 방식의 무선 전력 전송장치

도 7A 및 도 7B는 본 명세서에 개시된 실시 예들에서 채용 가능한 공진 방식의 무선 전력 전송장치(100) 및 전자 기기(200)의 구성의 일부를 예시적으로 나타낸 블록도이다.

도 7A를 참조하여 상기 무선 전력 전송장치(100)에 포함된 상기 전력 전달부(110)의 구성에 대하여 설명된다.

상기 무선 전력 전송장치(100)의 상기 전력 변환부(111)는 전송 코일(Tx coil)(1111b), 인버터(1112) 및 공진 형성 회로(1116)를 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 인버터(1112)는 상기 전송 코일(1111b) 및 상기 공진 형성 회로(1116)와 연결되도록 구성될 수 있다.

상기 전송 코일(1111b)은 유도 결합 방식에 따라 전력을 전달하기 위한 전송 코일(1111a)과 별도로 장착될 수 있으나, 하나의 단일 코일을 이용하여 유도 결합 방식 및 공진 결합 방식으로 전력을 전달할 수도 있다.

상기 전송 코일(1111b)은, 전술된 바와 같이, 전력을 전달하기 위한 자기장을 형성한다. 상기 전송 코일(1111b) 및 상기 공진 형성 회로(1116)는 교류 전원이 인가되면 진동이 발생할 수 있으며, 이 때 상기 전송 코일(1111b)의 인덕턴스 및 상기 공진 형성 회로(1116)의 커패시턴스를 기초로 진동 주파수가 결정될 수 있다.

이를 위하여 상기 인버터(1112)는 상기 전원 공급부(190)로부터 얻은 직류 입력을 교류 파형으로 변형시키고, 상기 변형된 교류 전류가 상기 전송 코일(1111b) 및 상기 공진 형성 회로(1116)에 인가된다.

그 밖에, 상기 전력 변환부(111)는 상기 전력 변환부(111)의 공진 주파수 값을 변경시키기 위한 주파수 조절부(1117)를 더 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 전력 변환부(111)의 공진 주파수는 수학식 1에 의하여 상기 전력 변환부(111)를 구성하는 회로내의 인덕턴스 및 커패시턴스를 기초로 결정되므로, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 인덕턴스 및/또는 커패시턴스가 변경되도록 상기 주파수 조절부(1117)를 제어함으로써 상기 전력 변환부(111)의 공진 주파수를 결정할 수 있다.

어떤 실시 예들에서, 상기 주파수 조절부(1117)는 상기 공진 형성 회로(1116)에 포함된 커패시터 간의 거리를 조절하여 커패시턴스를 변경시킬 수 있는 모터를 포함하도록 구성될 수 있다. 또한 어떤 실시 예들에서는, 상기 주파수 조절부(1117)가 상기 전송 코일(1111b)의 회전 수(number of turns) 또는 직경을 조절하여 인덕턴스를 변경시킬 수 있는 모터를 포함하도록 구성될 수 있다. 또한 어떤 실시 예들에서는, 상기 주파수 조절부(1117)가 상기 커패시턴스 및/또는 인덕턴스를 결정하는 능동 소자들을 포함하도록 구성될 수 있다.

한편, 상기 전력 변환부(111)는 전력 센싱부(1115)를 더 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 전력 센싱부(1115)의 동작에 대해서는 전술된 바와 동일하다.

도 7B를 참조하여 상기 전자 기기(200)에 포함된 상기 전원 공급부(290)의 구성에 대하여 설명된다. 상기 전원 공급부(290)는, 전술된 바와 같이, 상기 수신 코일(Rx coil)(2911b) 및 공진 형성 회로(2912)를 포함하도록 구성될 수 있다.

그 외에도, 상기 전원 공급부(290)의 전력 수신부(291)는 공진 현상에 의하여 생성된 교류 전류를 직류로 변환시키는 정류 회로(2913)를 더 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 정류 회로(2913)는 전술된 바와 동일하게 구성될 수 있다.

또한, 상기 전력 수신부(291)는 정류된 전원의 전압 및/또는 전류를 모니터링하는 전력 센싱부(2914)를 더 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 전력 센싱부(2914)는 전술된 바와 동일하게 구성될 수 있다.

도 8 - 하나 이상의 전송 코일을 포함하여 구성된 무선 전력 전송장치

도 8은 공진 결합 방식을 지원하는 실시 예들에 따라 전력을 수신하는 하나 이상의 전송 코일들을 가지도록 구성된 무선 전력 전송장치의 블록도이다.

도 8을 참조하면, 본 명세서에 개시된 실시 예들을 따르는 무선 전력 전송장치(100)의 전력 변환부(111)는 하나 이상의 전송 코일들(1111b-1 내지 1111b-n) 및 각 전송 코일들과 연결된 공진 형성 회로(1116-1 내지 1116-n)를 포함하도록 구성될 수 있다. 또한, 상기 전력 변환부(111)는 상기 하나 이상의 전송 코일들(1111b-1 내지 1111b-n) 중 일부의 코일들의 연결을 수립하고 해제하는 다중화기(Multiplexer)(1113)를 더 포함할 수 있다.

상기 하나 이상의 전송 코일들(1111b-1 내지 1111b-n)은 동일한 공진 주파수를 갖도록 설정될 수 있다. 어떤 실시 예들에서는, 상기 하나 이상의 전송 코일들(1111b-1 내지 1111b-n)의 일부가 서로 다른 공진 주파수를 갖도록 설정될 수 있으며, 이는 상기 하나 이상의 전송 코일들(1111b-1 내지 1111b-n)과 각각 연결된 상기 공진 형성 회로(1116-1 내지 1116-n)들이 어떠한 인덕턴스 및/또는 커패시턴스를 갖는지에 따라 결정된다.

한편, 상기 하나 이상의 전송코일들(1111b-1 내지 1111b-n)을 포함하도록 구성된 무선 전력 전송장치(100)의 활동 영역 또는 감지 영역에 하나 이상의 전자 기기(200)들이 배치된 경우, 상기 전력 송신 제어부(112)는 전자 기기 별로 다른 공진 결합 관계에 놓이도록 상기 다중화기(1113)를 제어할 수 있다. 이로 인하여, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 각각 다른 코일을 이용하여 무선 전력 신호를 형성함으로써 하나 이상의 전자 기기들에게 무선으로 전력을 전달할 수 있다.

또한, 상기 전력 송신 제어부(112)는 상기 전자 기기들에 대응되는 코일들에 대하여 각각 다른 특성을 가진 전원이 공급되도록 설정할 수 있다. 이 경우 상기 무선 전력 전송장치(100)는 전자 기기 별로 다른 전력 전달 방식, 공진 주파수, 효율, 특성 등을 설정하여 전력을 전달할 수 있다. 하나 이상의 전자 기기들을 위한 전력 전달에 대하여 도 28을 참조하여 후술된다.

이를 위하여, 상기 주파수 조절부(1117)는 상기 하나 이상의 전송 코일들(1111b-1 내지 1111b-n)과 각각 연결된 상기 공진 형성 회로(1116-1 내지 1116-n)들의 인덕턴스 및/또는 커패시턴스를 변경시킬 수 있도록 구성될 수 있다.

도 9 - 충전기로 구현된 무선 전력 전송장치

한편, 이하에서는 무선 충전기의 형태로 구현된 상기 무선 전력 전송장치의 예가 설명된다.

도 9는 도 2A에 도시된 구성 외에 추가적인 구성을 더 포함하는 무선 전력 전송장치를 나타낸 블록도이다.

도 9를 참조하여 알 수 있는 바와 같이, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 전술된 상기 유도 결합 방식 및 공진 결합 방식 중 하나 이상을 지원하는 전력 전달부(110) 및 전원 공급부(190)외에, 센서부(120), 통신부(130), 출력부(140), 메모리(150) 및 제어부(180)를 더 포함할 수 있다.

상기 제어부(180)는 상기 전력 변환부(110), 상기 센서부(120), 상기 통신부(130), 상기 출력부(140), 상기 메모리(150) 및 상기 전원 공급부(190)를 제어한다.

상기 제어부(180)는 도 2A 또는 도 2B를 참조하여 설명된 상기 전력 변환부(110) 내의 전력 송신 제어부(112)와 별도의 모듈로 구현되거나 단일 모듈로 구현될 수 있다.

상기 센서부(120)는 상기 전자 기기(200)의 위치를 감지하는 센서를 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 센서부(120)가 감지한 위치 정보는 상기 전력 변환부(110)가 효율적으로 전력을 전달할 수 있도록 사용될 수 있다.

예컨대, 유도 결합 방식을 지원하는 실시 예들에 따른 무선 전력 전달의 경우, 상기 센서부(120)는 위치 감지부(detection unit)로 동작할 수 있으며, 상기 센서부(120)가 감지한 위치 정보는 상기 전력 변환부(110) 내의 상기 전송 코일(1111a)을 이동 또는 회전 시키기 위해 사용될 수 있다.

또한, 예를 들어, 전술된 하나 이상의 전송 코일을 포함하여 이루어진 실시 예들을 따르는 무선 전력 전송장치(100)는 상기 전자 기기(200)의 위치 정보를 기초로 상기 하나 이상의 전송 코일들 중 상기 전자 기기(200)의 수신 코일과 유도 결합 관계 또는 공진 결합 관계에 놓일 수 있는 코일들을 결정할 수 있다.

한편, 상기 센서부(120)는 상기 전자 기기(200)가 충전이 가능한 영역으로 접근하는지 여부를 모니터링 하도록 구성될 수도 있다. 상기 센서부(120)의 접근 여부 감지 기능은 상기 전력 전달부(110) 내의 전력 송신 제어부(112)가 상기 전자 기기(200)의 접근 여부를 감지하는 기능과 별도로 또는 서로 결합되어 수행될 수 있다.

상기 통신부(130)는 상기 전자 기기(200)와 유무선 데이터 통신을 수행한다. 상기 통신부(130)는 BluetoothTM, 지그비(Zigbee), UWB(Ultra Wide Band), Wireless USB, NFC(Near Field Communication), Wireless LAN 중 어느 하나 이상을 위한 전자 부품을 포함할 수 있다.

상기 출력부(140)는 디스플레이부(141) 및 음향 출력부(142) 중 적어도 하나를 포함한다. 상기 디스플레이부(141)는 액정 디스플레이(liquid crystal display, LCD), 박막 트랜지스터 액정 디스플레이(thin film transistor-liquid crystal display, TFT LCD), 유기 발광 다이오드(organic light-emitting diode, OLED), 플렉시블 디스플레이(flexible display), 3차원 디스플레이(3D display) 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 디스플레이부(141)는 상기 제어부(180)의 제어에 따라 충전 상태를 표시할 수 있다.

상기 메모리(150)는 플래시 메모리 타입(flash memory type), 하드디스크 타입(hard disk type), 멀티미디어 카드 마이크로 타입(multimedia card micro type), 카드 타입의 메모리(예를 들어 SD 또는 XD 메모리 등), 램(Random Access Memory, RAM), SRAM(Static Random Access Memory), 롬(Read-Only Memory, ROM), EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory), PROM(Programmable Read-Only Memory), 자기 메모리, 자기 디스크, 광디스크 중 적어도 하나의 타입의 저장매체를 포함할 수 있다. 상기 무선 전력 전송장치(100)는 인터넷(Internet)상에서 상기 메모리(150)의 저장 기능을 수행하는 웹 스토리지(web storage)와 관련되어 동작할 수도 있다. 상기 메모리(150)에는 상기 무선 전력 전송장치(100)의 전술된 기능들을 수행하는 프로그램 또는 명령들이 저장될 수 있다. 상기 제어부(180)는 무선으로 전력을 전송하기 위하여 상기 메모리(150)에 저장된 프로그램 또는 명령들을 수행할 수 있다. 상기 무선 전력 전송장치(100)에 포함된 다른 구성 요소들(예컨대, 제어부(180))이 상기 메모리(150)를 액세스하기 위해서 메모리 컨트롤러(미도시)를 이용할 수 있다.

이상 개시된 본 명세서에 기재된 실시 예에 따른 무선 전력 전송장치의 구성은 무선 충전기에만 적용 가능한 경우를 제외하면, 도킹 스테이션(docking station), 단말기 크래들 장치(cradle device), 기타 전자 장치 등과 같은 장치에도 적용될 수도 있음을 본 기술분야의 당업자라면 쉽게 알 수 있을 것이다.

도 10 - 이동단말기로 구현된 무선전력수신장치

도 10은 본 명세서에 개시된 실시 예들에 따른 전자 기기(200)가 이동 단말기 형태로 구현된 경우의 구성을 나타낸다.

상기 이동통신 단말기(200)는 도 2A, 도 2B, 도 4A, 도 4B, 도 7A 또는 도 7B에 도시된 전원 공급부(290)를 포함한다.

그리고, 상기 단말기(200)는 무선 통신부(210), A/V(Audio/Video) 입력부(220), 사용자 입력부(230), 센싱부(240), 출력부(250), 메모리(260), 인터페이스부(270), 제어부(280)를 더 포함할 수 있다. 도 10에 도시된 구성요소들이 필수적인 것은 아니어서, 그보다 많은 구성요소들을 갖거나 그보다 적은 구성요소들을 갖는 단말기가 구현될 수도 있다.

이하, 상기 구성요소들에 대해 차례로 살펴본다.

무선 통신부(210)는 단말기(200)와 무선 통신 시스템 사이, 단말기(200)와 단말기(200)가 위치한 네트워크 사이, 또는 단말기(200)와 상기 무선 전력 전송장치(100) 사이의 무선 통신을 가능하게 하는 하나 이상의 모듈을 포함할 수 있다. 예를 들어, 무선 통신부(210)는 방송 수신 모듈(211), 이동통신 모듈(212), 무선 인터넷 모듈(213), 근거리 통신 모듈(214) 및 위치정보 모듈(215) 등을 포함할 수 있다.

방송 수신 모듈(211)은 방송 채널을 통하여 외부의 방송 센터로부터 방송 신호 및/또는 방송 관련된 정보를 수신한다.

상기 방송 채널은 위성 채널 및 지상파 채널을 포함할 수 있다. 상기 방송 센터는, 방송 신호 및/또는 방송 관련 정보를 생성하여 송신하는 서버 또는 기 생성된 방송 신호 및/또는 방송 관련 정보를 제공받아 단말기에 송신하는 서버를 의미할 수 있다. 상기 방송 신호는, TV 방송 신호, 라디오 방송 신호, 데이터 방송 신호를 포함할 뿐만 아니라, TV 방송 신호 또는 라디오 방송 신호에 데이터 방송 신호가 결합한 형태의 방송 신호도 포함할 수 있다.

상기 방송 관련 정보는, 방송 채널, 방송 프로그램 또는 방송 서비스 제공자에 관련한 정보를 의미할 수 있다. 상기 방송 관련 정보는, 이동통신망을 통하여도 제공될 수 있다. 이러한 경우에는 상기 이동통신 모듈(212)에 의해 수신될 수 있다.

상기 방송 관련 정보는 다양한 형태로 존재할 수 있다. 예를 들어, DMB(Digital Multimedia Broadcasting)의 EPG(Electronic Program Guide) 또는 DVB-H(Digital Video Broadcast-Handheld)의 ESG(Electronic Service Guide) 등의 형태로 존재할 수 있다.

상기 방송 수신 모듈(211)은, 예를 들어, DMB-T(Digital Multimedia Broadcasting-Terrestrial), DMB-S(Digital Multimedia Broadcasting-Satellite), MediaFLO(Media Forward Link Only), DVB-H(Digital Video Broadcast-Handheld), ISDB-T(Integrated Services Digital Broadcast-Terrestrial) 등의 디지털 방송 시스템을 이용하여 디지털 방송 신호를 수신할 수 있다. 물론, 상기 방송 수신 모듈(211)은, 상술한 디지털 방송 시스템뿐만 아니라 다른 방송 시스템에 적합하도록 구성될 수도 있다.

방송 수신 모듈(211)을 통해 수신된 방송 신호 및/또는 방송 관련 정보는 메모리(260)에 저장될 수 있다.

이동통신 모듈(212)은, 이동 통신망 상에서 기지국, 외부의 단말, 서버 중 적어도 하나와 무선 신호를 송수신한다. 상기 무선 신호는, 음성 호 신호, 화상 통화 호 신호 또는 문자/멀티미디어 메시지 송수신에 따른 다양한 형태의 데이터를 포함할 수 있다.

무선 인터넷 모듈(213)은 무선 인터넷 접속을 위한 모듈을 말하는 것으로, 단말기(200)에 내장되거나 외장될 수 있다. 무선 인터넷 기술로는 WLAN(Wireless LAN)(Wi-Fi), Wibro(Wireless broadband), Wimax(World Interoperability for Microwave Access), HSDPA(High Speed Downlink Packet Access) 등이 이용될 수 있다.

근거리 통신 모듈(214)은 근거리 통신을 위한 모듈을 말한다. 무선의 근거리 통신(short range communication) 기술로 블루투스(Bluetooth®), RFID(Radio Frequency Identification), 적외선 통신(IrDA, infrared Data Association), UWB(Ultra Wideband), ZigBee® 등이 이용될 수 있다. 한편, 유선의 근거리 통신으로는 USB(Universal Serial Bus), IEEE 1394, 썬더볼트(ThunderboltTM) 등이 이용될 수 있다.

상기 무선 인터넷 모듈(213) 또는 상기 근거리 통신 모듈(214)은 상기 무선 전력 전송장치(100)와 데이터 통신 연결을 수립할 수 있다.

상기 수립된 데이터 통신을 통해, 상기 무선 인터넷 모듈(213) 또는 상기 근거리 통신 모듈(214)은 무선으로 전력을 전달하는 중에, 출력할 오디오 신호가 있는 경우, 상기 오디오 신호를 상기 근거리 통신 모듈을 통해 상기 무선 전력 전송장치(100)로 전송할 수 있다. 또한, 상기 수립된 데이터 통신을 통해, 상기 무선 인터넷 모듈(213) 또는 상기 근거리 통신 모듈(214)은 디스플레이할 정보가 있는 경우, 상기 정보를 상기 무선 전력 전송장치(100)로 전송할 수 있다. 또는, 상기 수립된 데이터 통신을 통해, 상기 무선 인터넷 모듈(213) 또는 상기 근거리 통신 모듈(214)은 상기 무선 전력 전송장치(100)에 내장된 마이크를 통해 입력되는 오디오 신호를 수신할 수 있다. 또한, 상기 무선 인터넷 모듈(213) 또는 상기 근거리 통신 모듈(214)은 상기 이동 단말기(200)의 식별 정보(예컨대, 휴대폰인 경우 전화 번호, 또는 기기명)를 상기 수립된 데이터 통신을 통해 상기 무선 전력 전송장치(100)로 전송할 수 있다.

위치정보 모듈(215)은 단말의 위치를 획득하기 위한 모듈로서, 예로는 GPS(Global Position System) 모듈이 있다.

도 10을 참조하면, A/V(Audio/Video) 입력부(220)는 오디오 신호 또는 비디오 신호 입력을 위한 것으로, 이에는 카메라(221)와 마이크(222) 등이 포함될 수 있다. 카메라(221)는 화상 통화모드 또는 촬영 모드에서 이미지 센서에 의해 얻어지는 정지영상 또는 동영상 등의 화상 프레임을 처리한다. 처리된 화상 프레임은 디스플레이부(251)에 표시될 수 있다.

카메라(221)에서 처리된 화상 프레임은 메모리(260)에 저장되거나 무선 통신부(210)를 통하여 외부로 전송될 수 있다. 카메라(221)는 사용 환경에 따라 2개 이상이 구비될 수도 있다.

마이크(222)는 통화모드 또는 녹음모드, 음성인식 모드 등에서 마이크로폰(Microphone)에 의해 외부의 음향 신호를 입력받아 전기적인 음성 데이터로 처리한다. 처리된 음성 데이터는 통화 모드인 경우 이동통신 모듈(212)을 통하여 이동통신 기지국으로 송신 가능한 형태로 변환되어 출력될 수 있다. 마이크(222)에는 외부의 음향 신호를 입력받는 과정에서 발생되는 잡음(noise)을 제거하기 위한 다양한 잡음 제거 알고리즘이 구현될 수 있다.

사용자 입력부(230)는 사용자가 단말기의 동작 제어를 위한 입력 데이터를 발생시킨다. 사용자 입력부(230)는 키 패드(key pad) 돔 스위치 (dome switch), 터치 패드(정압/정전), 조그 휠, 조그 스위치 등으로 구성될 수 있다.

센싱부(240)는 근접센서(241), 압력센서(242), 및 모션 센서(243) 등을 포함할 수 있다. 상기 근접센서(241)는 이동 단말기(200)로 접근하는 물체나, 이동 단말기(200)의 근방에 존재하는 물체의 유무 등을 기계적 접촉이 없이 검출할 수 있도록 한다. 상기 근접센서(241)는, 교류자계의 변화나 정자계의 변화를 이용하거나, 혹은 정전용량의 변화율 등을 이용하여 근접물체를 검출할 수 있다. 상기 근접센서(241)는 구성 태양에 따라 2개 이상이 구비될 수 있다.

상기 압력센서(242)는 이동 단말기(200)에 압력이 가해지는지 여부와, 그 압력의 크기 등을 검출할 수 있다. 상기 압력센서(242)는 사용환경에 따라 이동 단말기(200)에서 압력의 검출이 필요한 부위에 설치될 수 있다. 만일, 압력센서(242)가 디스플레이부(251)에 설치되는 경우, 상기 압력센서(242)에서 출력되는 신호에 따라, 상기 디스플레이부(251)를 통한 터치 입력과, 터치 입력보다 더 큰 압력이 가해지는 압력터치 입력을 식별할 수 있다. 또한, 상기 압력센서(242)에서 출력되는 신호에 따라, 압력터치 입력시 상기 디스플레이부(251)에 가해지는 압력의 크기도 알 수 있다.

상기 모션 센서(243)는 가속도 센서, 자이로 센서 등을 이용하여 이동 단말기(200)의 위치나 움직임 등을 감지한다. 상기 모션 센서(243)에 사용될 수 있는 가속도 센서는 어느 한 방향의 가속도 변화에 대해서 이를 전기 신호로 바꾸어 주는 소자이다. 가속도 센서는 보통 2축이나 3축을 하나의 패키지에 실장하여 구성되며, 사용 환경에 따라서는 Z축 한 축만 필요한 경우도 있다. 따라서, 어떤 이유로 Z축 방향 대신 X축 또는 Y축 방향의 가속도 센서를 써야 할 경우에는 별도의 조각 기판을 사용하여 가속도 센서를 주 기판에 세워서 실장할 수도 있다. 또한, 상기 자이로 센서는 회전 운동을 하는 이동 단말기(200)의 각속도를 측정하는 센서로서, 각 기준 방향에 대한 회전된 각도를 감지할 수 있다. 예컨대, 상기 자이로 센서는 3개 방향의 축을 기준으로 한 각각의 회전 각도, 즉 방위각(azimuth), 피치(pitch) 및 롤(roll)을 감지할 수 있다.

출력부(250)는 시각, 청각 또는 촉각 등과 관련된 출력을 발생시키기 위한 것으로, 이에는 디스플레이부(251), 음향 출력 모듈(252), 알람부(253), 및 햅틱 모듈(254) 등이 포함될 수 있다.

디스플레이부(251)는 단말기(200)에서 처리되는 정보를 표시(출력)한다. 예를 들어, 단말가 통화 모드인 경우 통화와 관련된 UI(User Interface) 또는 GUI(Graphic User Interface)를 표시한다. 단말기(200)가 화상 통화 모드 또는 촬영 모드인 경우에는 촬영 또는/및 수신된 영상 또는 UI, GUI를 표시한다.

디스플레이부(251)는 액정 디스플레이(liquid crystal display, LCD), 박막 트랜지스터 액정 디스플레이(thin film transistor-liquid crystal display, TFT LCD), 유기 발광 다이오드(organic light-emitting diode, OLED), 플렉시블 디스플레이(flexible display), 3차원 디스플레이(3D display) 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.

이들 중 일부 디스플레이는 그를 통해 외부를 볼 수 있도록 투명형 또는 광투과형으로 구성될 수 있다. 이는 투명 디스플레이라 호칭될 수 있는데, 상기 투명 디스플레이의 대표적인 예로는 TOLED(Transparent OLED) 등이 있다. 디스플레이부(251)의 후방 구조 또한 광 투과형 구조로 구성될 수 있다. 이러한 구조에 의하여, 사용자는 단말기 바디의 디스플레이부(251)가 차지하는 영역을 통해 단말기 바디의 후방에 위치한 사물을 볼 수 있다.

단말기(200)의 구현 형태에 따라 디스플레이부(251)이 2개 이상 존재할 수 있다. 예를 들어, 단말기(200)에는 복수의 디스플레이부들이 하나의 면에 이격되거나 일체로 배치될 수 있고, 또한 서로 다른 면에 각각 배치될 수도 있다.

디스플레이부(251)와 터치 동작을 감지하는 센서(이하, '터치 센서'라 함)가 상호 레이어 구조를 이루는 경우(이하, '터치 스크린'이라 함)에, 디스플레이부(251)는 출력 장치 이외에 입력 장치로도 사용될 수 있다. 터치 센서는, 예를 들어, 터치 필름, 터치 시트, 터치 패드 등의 형태를 가질 수 있다.

터치 센서는 디스플레이부(251)의 특정 부위에 가해진 압력 또는 디스플레이부(251)의 특정 부위에 발생하는 정전 용량 등의 변화를 전기적인 입력신호로 변환하도록 구성될 수 있다. 터치 센서는 터치 되는 위치 및 면적뿐만 아니라, 터치 시의 압력까지도 검출할 수 있도록 구성될 수 있다.

터치 센서에 대한 터치 입력이 있는 경우, 그에 대응하는 신호(들)는 터치 제어기로 보내진다. 터치 제어기는 그 신호(들)를 처리한 다음 대응하는 데이터를 제어부(280)로 전송한다. 이로써, 제어부(280)는 디스플레이부(251)의 어느 영역이 터치 되었는지 여부 등을 알 수 있게 된다.

상기 터치스크린에 의해 감싸지는 단말의 내부 영역 또는 상기 터치 스크린의 근처에 근접 센서(241)가 배치될 수 있다. 상기 근접 센서는 소정의 검출면에 접근하는 물체, 혹은 근방에 존재하는 물체의 유무를 전자계의 힘 또는 적외선을 이용하여 기계적 접촉이 없이 검출하는 센서를 말한다. 근접 센서는 접촉식 센서보다는 그 수명이 길며 그 활용도 또한 높다.

상기 근접 센서의 예로는 투과형 광전 센서, 직접 반사형 광전 센서, 미러 반사형 광전 센서, 고주파 발진형 근접 센서, 정전용량형 근접 센서, 자기형 근접 센서, 적외선 근접 센서 등이 있다. 상기 터치스크린이 정전식인 경우에는 상기 포인터의 근접에 따른 전계의 변화로 상기 포인터의 근접을 검출하도록 구성된다. 이 경우 상기 터치스크린(터치 센서)은 근접 센서로 분류될 수도 있다.

이하에서는 설명의 편의를 위해, 상기 터치스크린 상에 포인터가 접촉되지 않으면서 근접되어 상기 포인터가 상기 터치스크린 상에 위치함이 인식되도록 하는 행위를 "근접 터치(proximity touch)"라고 칭하고, 상기 터치스크린 상에 포인터가 실제로 접촉되는 행위를 "접촉 터치(contact touch)"라고 칭한다. 상기 터치스크린 상에서 포인터로 근접 터치가 되는 위치라 함은, 상기 포인터가 근접 터치될 때 상기 포인터가 상기 터치스크린에 대해 수직으로 대응되는 위치를 의미한다.

상기 근접센서는, 근접 터치와, 근접 터치 패턴(예를 들어, 근접 터치 거리, 근접 터치 방향, 근접 터치 속도, 근접 터치 시간, 근접 터치 위치, 근접 터치 이동 상태 등)을 감지한다. 상기 감지된 근접 터치 동작 및 근접 터치 패턴에 상응하는 정보는 터치 스크린상에 출력될 수 있다.

음향 출력 모듈(252)은 호 신호 수신, 통화모드 또는 녹음 모드, 음성인식 모드, 방송수신 모드 등에서 무선 통신부(210)로부터 수신되거나 메모리(260)에 저장된 오디오 데이터를 출력할 수 있다. 음향 출력 모듈(252)은 단말기(200)에서 수행되는 기능(예를 들어, 호 신호 수신음, 메시지 수신음 등)과 관련된 음향 신호를 출력하기도 한다. 이러한 음향 출력 모듈(252)에는 리시버(Receiver), 스피커(speaker), 버저(Buzzer) 등이 포함될 수 있다.

알람부(253)는 단말기(200)의 이벤트 발생을 알리기 위한 신호를 출력한다. 단말에서 발생 되는 이벤트의 예로는 호 신호 수신, 메시지 수신, 키 신호 입력, 터치 입력 등이 있다. 알람부(253)는 비디오 신호나 오디오 신호 이외에 다른 형태, 예를 들어 진동으로 이벤트 발생을 알리기 위한 신호를 출력할 수도 있다. 상기 비디오 신호나 오디오 신호는 디스플레이부(251)나 음성 출력 모듈(252)을 통해서도 출력될 수 있어서, 그들(251,252)은 알람부(253)의 일부로 분류될 수도 있다.

햅틱 모듈(haptic module)(254)은 사용자가 느낄 수 있는 다양한 촉각 효과를 발생시킨다. 햅틱 모듈(254)이 발생시키는 촉각 효과의 대표적인 예로는 진동이 있다. 햅택 모듈(254)이 발생하는 진동의 세기와 패턴 등은 제어가능하다. 예를 들어, 서로 다른 진동을 합성하여 출력하거나 순차적으로 출력할 수도 있다.

햅틱 모듈(254)은, 진동 외에도, 접촉 피부면에 대해 수직 운동하는 핀 배열, 분사구나 흡입구를 통한 공기의 분사력이나 흡입력, 피부 표면에 대한 스침, 전극(electrode)의 접촉, 정전기력 등의 자극에 의한 효과와, 흡열이나 발열 가능한 소자를 이용한 냉온감 재현에 의한 효과 등 다양한 촉각 효과를 발생시킬 수 있다.

햅틱 모듈(254)은 직접적인 접촉을 통해 촉각 효과의 전달할 수 있을 뿐만 아니라, 사용자가 손가락이나 팔 등의 근 감각을 통해 촉각 효과를 느낄 수 있도록 구현할 수도 있다. 햅틱 모듈(254)은 단말기(200)의 구성 태양에 따라 2개 이상이 구비될 수 있다.

메모리(260)는 제어부(280)의 동작을 위한 프로그램을 저장할 수 있고, 입/출력되는 데이터들(예를 들어, 폰북, 메시지, 정지영상, 동영상 등)을 임시 저장할 수도 있다. 상기 메모리(260)는 상기 터치스크린 상의 터치 입력시 출력되는 다양한 패턴의 진동 및 음향에 관한 데이터를 저장할 수 있다.

어떤 실시 예들에서는, 메모리(260)에 운영 체제(Operating System)(미도시), 무선통신부(210) 기능을 수행하는 모듈, 사용자 입력부(230)와 함께 동작하는 모듈, A/V 입력부(220)와 함께 동작하는 모듈, 출력부(250)와 함께 동작하는 모듈을 포함하는 소프트웨어 컴포넌트들이 저장될 수 있다. 상기 운영 체제(예를 들어, LINUX, UNIX, OS X, WINDOWS, Chrome, Symbian, iOS, Android, VxWorks 또는 기타 임베디드 운영체제)는 메모리 관리, 전력 관리 등과 같이 시스템 작업(tasks)들을 제어하기 위한 다양한 소프트웨어 컴포넌트들 및/또는 드라이버들을 포함할 수 있다.

또한, 상기 메모리(260)는 무선 전력 전송 또는 무선 충전과 관련된 설정 프로그램을 저장할 수 있다. 상기 설정 프로그램은 상기 제어부(280)에 의하여 실행될 수 있다.

또한, 상기 메모리(260)는 어플리케이션 제공 서버(예: 앱스토어)로부터 다운로드한 무선 전력 전송(또는 무선 충전)과 관련된 어플리케이션(application)을 저장할 수 있다. 상기 무선 전력 전송 관련 어플리케이션은 무선 전력 전송을 제어하기 위한 프로그램으로, 상기 전자 기기(200)는 해당 프로그램을 통해 상기 무선 전력 전송장치(100)로부터 무선으로 전력을 수신하거나 상기 무선 전력 전송장치(100)와 데이터 통신을 위한 연결을 수립할 수 있다.

메모리(260)는 플래시 메모리 타입(flash memory type), 하드디스크 타입(hard disk type), 멀티미디어 카드 마이크로 타입(multimedia card micro type), 카드 타입의 메모리(예를 들어 SD 또는 xD 메모리 등), 램(Random Access Memory, RAM), SRAM(Static Random Access Memory), 롬(Read-Only Memory, ROM), EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory), PROM(Programmable Read-Only Memory), 자기 메모리, 자기 디스크, 광디스크 중 적어도 하나의 타입의 저장매체를 포함할 수 있다. 단말기(200)는 인터넷(Internet)상에서 상기 메모리(260)의 저장 기능을 수행하는 웹 스토리지(web storage)와 관련되어 동작할 수도 있다.

인터페이스부(270)는 단말기(200)에 연결되는 모든 외부기기와의 통로 역할을 한다. 인터페이스부(270)는 외부 기기로부터 데이터를 전송받거나, 전원을 공급받아 단말기(200) 내부의 각 구성 요소에 전달하거나, 단말기(200) 내부의 데이터가 외부 기기로 전송되도록 한다. 예를 들어, 유/무선 헤드셋 포트, 외부 충전기 포트, 유/무선 데이터 포트, 메모리 카드(memory card) 포트, 식별 모듈이 구비된 장치를 연결하는 포트, 오디오 I/O(Input/Output) 포트, 비디오 I/O(Input/Output) 포트, 이어폰 포트 등이 인터페이스부(270)에 포함될 수 있다.

식별 모듈은 단말기(200)의 사용 권한을 인증하기 위한 각종 정보를 저장한 칩으로서, 사용자 인증 모듈(User Identify Module, UIM), 가입자 인증 모듈(Subscriber Identity Module, SIM), 범용 사용자 인증 모듈(Universal Subscriber Identity Module, USIM) 등을 포함할 수 있다. 식별 모듈이 구비된 장치(이하 '식별 장치')는, 스마트 카드(smart card) 형식으로 제작될 수 있다. 따라서 식별 장치는 포트를 통하여 단말기(200)와 연결될 수 있다.

상기 인터페이스부는 단말기(200)가 외부 크래들(cradle)과 연결될 때 상기 크래들로부터의 전원이 상기 단말기(200)에 공급되는 통로가 되거나, 사용자에 의해 상기 크래들에서 입력되는 각종 명령 신호가 상기 단말로 전달되는 통로가 될 수 있다. 상기 크래들로부터 입력되는 각종 명령 신호 또는 상기 전원은 상기 단말가 상기 크래들에 정확히 장착되었음을 인지하기 위한 신호로 동작될 수도 있다.

제어부(controller, 280)는 통상적으로 단말의 전반적인 동작을 제어한다. 예를 들어 음성 통화, 데이터 통신, 화상 통화 등을 위한 관련된 제어 및 처리를 수행한다. 제어부(280)는 멀티 미디어 재생을 위한 멀티미디어 모듈(281)을 구비할 수도 있다. 멀티미디어 모듈(281)은 제어부(280) 내에 구현될 수도 있고, 제어부(280)와 별도로 구현될 수도 있다. 또한, 상기 제어부(180)는 도 2A 또는 도 2B를 참조하여 설명된 상기 전원 공급부(290) 내의 전력 수신 제어부(292)와 별도의 모듈로 구현되거나 단일 모듈로 구현될 수 있다.

상기 제어부(280)는 상기 터치스크린 상에서 행해지는 필기 입력 또는 그림 그리기 입력을 각각 문자 및 이미지로 인식할 수 있는 패턴 인식 처리를 행할 수 있다.

상기 제어부(280)는 사용자 입력 또는 내부 입력에 따라 유선 충전 또는 무선 충전을 수행한다. 여기서, 내부 입력은 단말기 내부의 2차코일에서 생성되는 유도 전류가 감지되었음을 알리는 신호이다.

전술한 무선 충전이 이루어질 경우, 상기 제어부(280)가 각 구성 요소를 제어하는 동작에 관해서는 이하 도 14의 동작 상태를 참조하여 상세하게 설명된다. 전술된 바와 같이, 상기 전원 공급부(290) 내의 전력 수신 제어부(292)는 상기 제어부(280)에 포함되어 구현될 수 있으며, 본 명세서에서 상기 전력 수신 제어부(292)에 의한 동작은 상기 제어부(280)가 수행하는 것으로 이해될 수 있다.

전원 공급부(290)는 제어부(280)의 제어에 의해 외부의 전원 및/또는 내부의 전원을 인가받아 각 구성요소들의 동작에 필요한 전원을 공급한다.

전원공급부(290)는 단말기(200)의 각 구성요소로 전원을 공급하는 배터리(299)를 구비하며, 상기 배터리(299)를 유선 또는 무선 충전하기 위한 충전부(298)를 포함할 수 있다.

본 명세서는 무선으로 전력을 수신하는 장치로서 이동 단말을 예로서 개시하고 있으나, 본 명세서에 기재된 실시 예에 따른 구성은 이동 단말에만 적용 가능한 경우를 제외하면, 디지털 TV, 데스크탑 컴퓨터 등과 같은 고정 단말기에도 적용될 수도 있음을 본 기술분야의 당업자라면 쉽게 알 수 있을 것이다.

도 11A 및 도 11B - Backscatter Modulation

도 11A 및 도 11B은 본 명세서에 개시된 실시 예들을 따르는 무선 전력 전달에 있어서 무선 전력 신호의 변조 및 복조를 통하여 무선 전력 전송장치와 전자 기기 사이에 패킷을 송수신하는 개념을 도시한다.

도 11A를 참조하면, 상기 전력 변환부(111)에 의하여 형성되는 상기 무선 전력 신호는 자기장(magnetic field) 또는 전자기장(electro-magnetic field) 내에서 폐루프(closed-loop)를 형성하므로, 상기 전자 기기(200)가 상기 무선 전력 신호를 수신하는 중에 상기 무선 전력 신호를 변조(modulation)하는 경우 상기 무선 전력 전송장치(100)는 변조된 무선 전력 신호를 감지할 수 있다. 상기 변복조부(113)는 상기 감지된 무선 전력 신호를 복조(demodulation)하고, 복조된 무선 전력 신호로부터 상기 패킷을 디코딩(decoding)할 수 있다.

한편, 상기 무선 전력 전송장치(100)와 상기 전자 기기(200) 간의 통신에 사용되는 변조 방법은 진폭 변조(Amplitude Modulation)일 수 있다. 전술된 바와 같이, 상기 진폭 변조 방식은 상기 전력 변환부(111)가 형성한 무선 전력 신호(10a)의 진폭을 상기 전자 기기(200) 측의 변복조부(293)가 변경시켜 상기 무선 전력 전송장치(100) 측의 변복조부(293)가 상기 변조된 무선 전력 신호(10b)의 진폭을 검출하는 백스캐터 변조(backscatter modulation) 방식일 수 있다.

구체적으로 도 11B를 더 참조하면, 상기 전자 기기(200) 측의 전력 수신 제어부(292)는 상기 전력 수신부(291)을 통하여 수신되는 무선 전력 신호(10a)를 상기 변복조부(293) 내의 부하 임피던스(Impedance)를 변경시킴으로써 변조한다. 상기 전력 수신 제어부(292)는 상기 무선 전력 전송장치(100)로 전송하고자 하는 전력 제어 메시지를 포함하는 패킷이 포함되도록 상기 무선 전력 신호(10a)를 변조한다.

그 후, 상기 무선 전력 전송장치(100) 측의 전력 송신 제어부(112)는 상기 변조된 무선 전력 신호(10b)를 포락선 검출(Envelop Detection) 과정을 통하여 복조하고, 상기 검출된 신호(10c)를 디지털 데이터(10d)로 디코딩(decoding)한다. 상기 복조 과정은 변조된 무선 전력 신호에 의하여 상기 전력 변환부(111)를 흐르는 전류 또는 전압이 HI 상태(HI Phase) 및 LO 상태(Phase)로 두 가지 상태로 구분되는 것을 감지하고, 상기 상태들에 따라 구분되는 디지털 데이터를 기초로 상기 전자 기기(200)가 전송하고자 하는 패킷을 획득하는 것이다.

이하에서는, 상기 무선 전력 전송장치(100)가 복조된 디지털 데이터로부터 상기 전자 기기(200)가 전송하고자 하는 전력 제어 메시지를 획득하는 과정을 설명한다.

도 12A 및 도 12B - Bit 인코딩, Byte Format

도 12A 및 도 12B는 상기 무선 전력 전송장치(100)가 전력 제어 메시지를 구성하는 데이터 비트 및 바이트의 표시 방법을 도시한다.

도 12A를 참조하면, 상기 전력 송신 제어부(112)는 포락선 검출된 신호로부터 클럭 신호(CLK)를 이용하여 인코딩된 비트를 검출한다. 상기 검출되는 인코딩된 비트는 상기 전자 기기(200) 측의 변조 과정에서 사용된 비트 인코딩 방법에 따라 인코딩 된 것이다. 어떤 실시 예들에서, 상기 비트 인코딩 방법은 NRZ(non-return to zero)일 수 있다. 어떤 실시 예들에서는, 상기 비트 인코딩 방법이 2-위상(bi-phase) 인코딩일 수 있다.

예컨대, 어떤 실시 예들에서, 상기 검출되는 비트는 차동 2-위상(differential bi-phase; DBP) 인코딩된 것일 수 있다. 상기 DBP 인코딩에 의하면, 상기 전자 기기(200) 측의 전력 수신 제어부(292)는 데이터 비트 1을 인코딩하기 위하여 두 번의 상태 전이(transitions)를 갖도록 하고, 데이터 비트 0을 인코딩하기 위하여 한 번의 상태 전이를 갖도록 한다. 즉, 데이터 비트 1은 상기 클럭 신호의 상승 에지(rising edge) 및 하강 에지(falling edge)에서 HI 상태 및 LO 상태간의 전이가 발생하도록 인코딩된 것이고, 데이터 비트 0은 상기 클럭 신호의 상승 에지에서 HI 상태 및 LO 상태간의 전이가 발생하도록 인코딩된 것일 수 있다.

한편, 상기 전력 송신 제어부(112)는 비트 인코딩 방법에 따라 검출된 비트열로부터 패킷을 구성하는 바이트 포맷(byte format)을 이용하여 바이트 단위의 데이터를 획득할 수 있다. 어떤 실시 예들에서, 상기 검출된 비트열은 도 12B에 도시된 바와 같은 11 비트 비동기 직렬 포맷(11-bit asynchronous serial format)을 이용하여 전송된 것일 수 있다. 즉, 바이트의 시작을 알리는 시작 비트(start bit)와 종료를 알리는 종료 비트(stop)를 포함하고, 시작 비트와 종료 비트 사이에 데이터 비트들(b0 내지 b7)을 포함할 수 있다. 또한, 데이터의 오류를 검사하기 위한 패러티 비트(parity bit)가 추가될 수 있다. 상기 바이트 단위의 데이터는 전력 제어 메시지를 포함하는 패킷을 구성한다.

도 13 - 패킷 포맷

도 13은 본 명세서에 개시된 실시 예들을 따르는 무선 전력 전달방법에 사용되는 전력 제어 메시지를 포함하는 패킷을 도시한다.

상기 패킷(500)은 프리앰블(preamble)(510), 헤더(header)(520), 메시지(message)(530) 및 체크섬(checksum)(540)을 포함하도록 구성될 수 있다.

상기 프리앰블(510)은 상기 무선 전력 전송장치(100)가 수신되는 데이터와 동기화를 수행하고 상기 헤더(520)의 시작 비트를 정확히 검출하기 위해 사용된다. 상기 프리앰블(510)은 동일한 비트가 반복되도록 구성될 수 있다. 예컨대, 상기 프리앰블(510)은 상기 DBP 인코딩에 따른 데이터 비트 1이 11번 내지 25번 반복되도록 구성될 수 있다.

상기 헤더(520)는 상기 패킷(500)의 타입을 지시하기 위해 사용된다. 상기 헤더(520)가 나타내는 값을 기초로 상기 메시지(530)의 크기 및 그 종류가 결정될 수 있다. 상기 헤더(520)는 일정한 크기를 가진 값이며, 상기 프리앰블(510)에 이어서 위치한다. 예컨대, 상기 헤더(520)는 한 바이트의 크기일 수 있다.

상기 메시지(530)는 상기 헤더(520)를 기초로 결정되는 데이터를 포함하도록 구성된다. 상기 메시지(530)는 종류에 따라 정해진 크기를 갖는다.

상기 체크섬(540)은 전력 제어 메시지가 전송되는 도중에 상기 헤더(520) 및 상기 메시지(530)에 발생할 수 있는 오류를 감지하기 위하여 사용된다. 동기화를 위한 상기 프리앰블(510) 및 오류 검사를 위한 상기 체크섬(540)을 제외한 상기 헤더(520) 및 상기 메시지(530)를 명령 패킷(command_packet)이라고 부를 수 있다.

도 14 - 동작 상태( Phases )

이하에서, 상기 무선 전력 전송장치(100) 및 상기 전자 기기(200)의 동작 상태들에 대하여 설명된다.

도 14는 본 명세서에 개시된 실시 예들을 따르는 무선 전력 전송장치(100) 및 전자 기기(200)의 동작 상태들을 도시한다. 또한, 도 15 내지 도 19는 상기 무선 전력 전송장치(100) 및 전자 기기(200)간의 전력 제어 메시지를 포함하는 패킷들의 구조를 도시한다.

도 14를 참조하면, 무선 전력 전송을 위한 상기 무선 전력 전송장치(100) 및 전자 기기(200)의 동작 상태는 선택 상태(Selection Phase) (610), 검출 상태(Ping Phase)(620), 식별 및 설정 상태(Identification and Configuration Phase)(630), 그리고 전력 전송 상태(Power Transfer Phase)(640)로 구분될 수 있다.

상기 선택 상태(610)에서는 상기 무선 전력 전송장치(100)가 무선으로 전력을 전송할 수 있는 범위 내에 물체(object)들이 존재하는지 여부를 감지하고, 상기 검출 상태(620)에서는 상기 무선 전력 전송장치(100)가 상기 감지된 물체로 검출 신호를 보내고, 상기 전자 기기(200)는 상기 검출 신호에 대한 응답을 보낸다.

또한, 상기 식별 및 설정 상태(630)에서는 상기 무선 전력 전송장치(100)가 이전 상태들을 통하여 선택된 전자 기기(200)를 식별하고 전력 전달을 위한 설정 정보를 획득한다. 상기 전력 전송 상태(640)에서는 상기 무선 전력 전송장치(100)가, 상기 전자 기기(200)로부터 수신한 제어 메시지에 대응하여 전송하는 전력을 조절하면서, 상기 전자 기기(200)로 전력을 전송한다.

이하에서는, 상기 각 동작 상태를 구체적으로 설명한다.

1) 선택 상태(Selection Phase)

상기 선택 상태(610)에 있는 무선 전력 전송장치(100)는 감지 영역 내에 존재하는 전자 기기(200)를 선택하기 위하여 검출 과정을 수행한다. 상기 감지 영역은, 전술된 바와 같이, 해당 영역 내의 물체가 상기 전력 변환부(111)의 전력의 특성에 영향을 미칠 수 있는 영역을 말한다. 상기 검출 상태(620)와 비교하여, 상기 선택 상태(610)에서 전자 기기(200)의 선택을 위한 검출 과정은 전력 제어 메시지를 이용하여 상기 전자 기기(200)로부터 응답을 수신하는 방식 대신에, 상기 무선 전력 전송장치(100) 측의 전력 변환부에서 무선 전력 신호를 형성하기 위한 전력량이 변화하는 것을 감지하여 일정 범위 내에 물체가 존재하는지 확인하는 과정이다. 상기 선택 상태(610)에서의 검출 과정은 후술될 검출 상태(620)에서 디지털 형식의 패킷을 이용하지 아니하고 무선 전력 신호를 이용하여 물체를 검출하는 점에서 아날로그 검출 과정(analog ping)으로 불릴 수 있다.

상기 선택 상태(610)의 무선 전력 전송장치(100)는 상기 감지 영역 내에 물체가 들어오고 나가는 것을 감지할 수 있다. 또한, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 감지 영역 내에 있는 물체들 중에서 무선으로 전력을 전달할 수 있는 전자 기기(200)와 그 밖의 물체들(예를 들어, 열쇠, 동전 등)을 구분할 수 있다.

전술된 바와 같이, 유도 결합 방식 및 공진 결합 방식에 따라 무선으로 전력을 전송할 수 있는 거리가 다르므로 상기 선택 상태(610)에서 물체가 검출되는 감지 영역은 서로 다를 수 있다.

먼저, 유도 결합 방식에 따라 전력이 전송되는 실시 예들의 경우, 상기 선택 상태(610)의 무선 전력 전송장치(100)는 물체들의 배치 및 제거를 감지하기 위하여 인터페이스 표면(미도시)을 모니터링할 수 있다.

또한, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 인터페이스 표면의 상부에 놓인 전자 기기(200)의 위치를 감지할 수도 있다. 전술된 바와 같이, 하나 이상의 전송 코일을 포함하도록 형성된 무선 전력 전송장치(100)는 상기 선택 상태(610)에서 상기 검출 상태(620)로 진입하고, 상기 검출 상태(620)에서 각각의 코일을 이용하여 상기 물체로부터 검출 신호에 대한 응답이 전송되는지 여부를 확인하거나 또는 그 후 상기 식별 상태(630)로 진입하여 상기 물체로부터 식별 정보가 전송되는지 여부를 확인하는 방법을 수행할 수 있다. 상기 무선 전력 전송장치(100)는 이와 같은 과정을 통하여 획득한 상기 감지된 전자 기기(200)의 위치에 기초하여 무선 전력 전송에 사용될 코일을 결정할 수 있다.

또한, 공진 결합 방식에 따라 전력이 전송되는 실시 예들의 경우, 상기 선택 상태(610)의 무선 전력 전송장치(100)는 상기 감지 영역 내의 물체로 인한 상기 전력 변환부의 주파수, 전류, 전압 중 하나 이상이 변경되는 것을 감지함으로 써 상기 물체를 검출할 수 있다.

한편, 상기 선택 상태(610)의 무선 전력 전송장치(100)는 상기 유도 결합 방식 및 공진 결합 방식에 따른 검출 방법 중 적어도 하나의 방법에 의하여 물체를 검출할 수 있다. 상기 무선 전력 전송장치(100)는 각 전력 전송 방식에 따른 물체 검출 과정을 수행하고, 이후에 다른 상태들(620, 630, 640)로 진행하기 위하여 무선 전력 전달을 위한 결합 방식 중에서 상기 물체를 검출한 방식을 선택할 수 있다.

한편, 상기 선택 상태(610)의 무선 전력 전송장치(100)는 물체를 검출하기 위하여 형성하는 무선 전력 신호와 이후 상태들(620, 630, 640)에서의 디지털 검출, 식별, 설정 및 전력 전송을 위하여 형성하는 무선 전력 신호는 그 주파수, 세기 등의 특성이 다를 수 있다. 이는 상기 무선 전력 전송장치(100)의 선택 상태(610)는 물체를 검출하기 위한 대기 상태(idle Phase)에 해당하여, 상기 무선 전력 전송장치(100)가 대기 중의 소비 전력을 줄이거나, 또는 효율적인 물체 검출을 위하여 특화된 신호를 생성시킬 수 있도록 하기 위함이다.

2) 검출 상태(Ping Phase)

상기 검출 상태(620)에 있는 상기 무선 전력 전송장치(100)가 전력 제어 메시지를 통해 상기 감지 영역 내에 존재하는 전자 기기(200)를 검출하는 과정을 수행한다. 상기 선택 상태(610)에서 무선 전력 신호의 특성 등을 이용한 전자 기기(200)의 검출 과정과 비교하여, 상기 검출 상태(620)에서의 검출 과정은 디지털 검출 과정(digital ping)이라 불릴 수 있다.

상기 검출 상태(620)에서 상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 전자 기기(200)를 검출하기 위한 무선 전력 신호를 형성하고, 상기 전자 기기(200)에 의하여 변조된 무선 전력 신호를 복조하고, 상기 복조된 무선 전력 신호로부터 상기 검출 신호에 대한 응답에 해당하는 디지털 데이터 형태의 전력 제어 메시지를 획득한다. 상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 검출 신호에 대한 응답에 해당하는 전력 제어 메시지를 수신함으로써 전력 전송의 대상이 되는 상기 전자 기기(200)를 인지 할 수 있다.

상기 검출 상태(620)에 있는 상기 무선 전력 전송장치(100)가 디지털 검출 과정을 수행하기 위하여 형성하는 검출 신호는 특정 동작 포인트(operating point)의 전력 신호를 일정한 시간 동안 인가함으로써 형성되는 무선 전력 신호일 수 있다. 상기 동작 포인트는 전송 코일(Tx coil)에 인가되는 전압의 주파수, 듀티 사이클(duty cycle) 및 진폭을 의미할 수 있다. 상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 특정 동작 포인트의 전력 신호를 인가함으로써 생성된 상기 검출 신호를 일정한 시간 동안 생성하고, 상기 전자 기기(200)로부터 전력 제어 메시지를 수신할 것을 시도할 수 있다.

한편, 상기 검출 신호에 대한 응답에 해당하는 전력 제어 메시지는 상기 전자 기기(200)가 수신한 무선 전력 신호의 강도(strength)를 나타내는 메시지일 수 있다. 예를 들어, 상기 전자 기기(200)는 도 15에 도시된 바와 같은 상기 검출 신호에 대한 응답으로서 수신된 무선 전력 신호의 강도를 나타내는 메시지가 포함된 신호 강도 패킷(Signal Strength Packet)(5100)을 전송할 수 있다. 상기 패킷(5100)은 신호 강도를 나타내는 패킷임을 알리는 헤더(5120) 및 상기 전자 기기(200)가 수신한 전력 신호의 강도를 나타내는 메시지(5130)를 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 메시지(5130) 내의 전력 신호의 강도는 상기 무선 전력 전송장치(100)와 상기 전자 기기(200) 사이의 전력 전송을 위한 유도 결합 또는 공진 결합의 정도(degree of coupling)를 나타내는 값일 수 있다.

상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 검출 신호에 대한 응답 메시지를 수신하여 상기 전자 기기(200)를 발견한 후에, 상기 디지털 검출 과정을 연장하여 식별 및 검출 상태(630)로 진입할 수 있다. 즉, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 전자 기기(200)를 발견한 후에 상기 특정 동작 포인트의 전력 신호를 유지하여 상기 식별 및 검출 상태(630)에서 필요한 전력 제어 메시지를 수신할 수 있다.

다만, 상기 무선 전력 전송장치(100)가 전력을 전달할 수 있는 전자 기기(200)를 발견하지 못한 경우, 상기 무선 전력 전송장치(100)의 동작 상태는 상기 선택 상태(610)로 되돌아갈 수 있다.

3) 식별 및 설정 상태(Identification and Configuration Phase)

상기 식별 및 설정 상태(630)의 무선 전력 전송장치(100)는 상기 전자 기기(200)가 전송하는 식별 정보 및/또는 설정 정보를 수신하여 전력 전달이 효율적으로 이루어지도록 제어할 수 있다.

상기 식별 및 설정 상태(630)에서 상기 전자 기기(200)는 자신의 식별 정보를 포함하는 전력 제어 메시지를 전송할 수 있다. 이를 위하여, 상기 전자 기기(200)는, 예컨대, 도 16A에 도시된 바와 같은 전자 기기(200)의 식별 정보를 나타내는 메시지가 포함된 식별 패킷(Identification Packet)(5200)을 전송할 수 있다. 상기 패킷(5200)은 식별 정보를 나타내는 패킷임을 알리는 헤더(5220) 및 상기 전자 기기의 식별 정보를 포함하는 메시지(5230)를 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 메시지(5230)는 무선 전력 전송을 위한 규약의 버전을 나타내는 정보(2531 및 5232), 상기 전자 기기(200)의 제조 업체를 식별하는 정보(5233), 확장 장치 식별자의 유무를 나타내는 정보(5234) 및 기본 장치 식별자(5235)를 포함하도록 구성될 수 있다. 또한, 상기 확장 장치 식별자의 유무를 나타내는 정보(5234)에 확장 장치 식별자가 존재하는 것으로 표시되는 경우, 도 16B에 도시된 바와 같은 확장 장치 식별자를 포함한 확장 식별 패킷(Extended Identification Packet)(5300)이 별도로 전송될 수 있다. 상기 패킷(5300)은 확장 장치 식별자를 나타내는 패킷임을 알리는 헤더(5320) 및 확장 장치 식별자를 포함하는 메시지(5330)를 포함하도록 구성될 수 있다. 이와 같이 확장 장치 식별자가 사용되는 경우에, 상기 전자 기기(200)를 식별하기 위하여 상기 제조 업체의 식별 정보(5233), 상기 기본 장치 식별자(5235) 및 상기 확장 장치 식별자(5330)에 기초한 정보가 사용될 수 있다.

상기 식별 및 설정 상태(630)에서 상기 전자 기기(200)는 예상 최대 전력에 대한 정보를 포함하는 전력 제어 메시지를 전송할 수 있다. 이를 위하여, 상기 전자 기기(200)는, 예컨대, 도 17에 도시된 바와 같은 설정 패킷(Configuration Packet)(5400)을 전송할 수 있다. 상기 패킷은 설정 패킷임을 알리는 헤더(5420) 및 상기 예상 최대 전력에 대한 정보를 포함하는 메시지(5430)를 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 메시지(5430)는 전력 클래스(5431), 예상 최대 전력에 대한 정보(5432), 무선 전력 전송장치 측의 주요 셀의 전류를 결정하는 방법을 나타내는 지시자(5433), 선택적인 설정 패킷들의 수(5434)를 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 지시자(5433)는 무선 전력 전송을 위한 규약에 명시된 대로 상기 무선 전력 전송장치 측의 주요 셀의 전류가 결정될 것인지 여부를 나타내는 것일 수 있다.

한편, 본 명세서에 개시된 실시 예들에 따라 상기 전자 기기(200)는 자신의 요구 전력 정보 또는 그 프로파일 정보를 포함하는 전력 제어 메시지를 상기 무선 전력 전송장치(100)로 전송할 수 있다. 어떤 실시 예들에서는 상기 전자 기기(200)의 요구 전력 정보 또는 그 프로파일 정보는 도 17에 도시된 바와 같은 설정 패킷(5400)에 포함되어 전송될 수 있다. 어떤 실시 예들에서는 상기 전자 기기(200)의 요구 전력 정보 또는 그 프로파일 정보는 별도의 설정을 위한 패킷에 포함되어 전송될 수 있다.

한편, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 식별 정보 및/또는 설정 정보를 기초로 상기 전자 기기(200)와 전력 충전에 사용되는 전력 전달 규약(power transfer contract)을 생성할 수 있다. 상기 전력 전달 규약은 상기 전력 전달 상태(640)에서의 전력 전달 특성을 결정하는 파라미터들의 한정 사항들(limits)을 포함할 수 있다.

상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 전력 전달 상태(640)로 진입하기 전에 상기 식별 및 설정 상태(630)를 종료하고, 상기 선택 상태(610)로 되돌아 갈 수 있다. 예컨대, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 무선으로 전력을 수신할 수 있는 다른 전자 기기를 찾기 위하여 상기 식별 및 설정 상태(630)를 종료할 수 있다.

4) 전력 전송 상태(Power Transfer Phase)

상기 전력 전송 상태(640)에서의 상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 전자 기기(200)로 전력을 전송한다.

상기 무선 전력 전송장치(100)는 전력을 전송하는 도중에 상기 전자 기기(200)로부터 전력 제어 메시지를 수신하고, 상기 수신한 전력 제어 메시지에 대응하여 상기 전송 코일에 인가되는 전력의 특성을 조절할 수 있다. 예를 들어, 상기 전송 코일의 전력 특성을 조절하기 위해 사용되는 전력 제어 메시지는 도 18에 도시된 바와 같은 제어 오류 패킷(Control Error Packet)(5500)에 포함될 수 있다. 상기 패킷(5500)은 제어 오류 패킷임을 알리는 헤더(5520)와 제어 오류 값을 포함하는 메시지(5530)를 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 제어 오류 값에 따라 상기 전송 코일에 인가되는 전력을 조절할 수 있다. 즉, 상기 전송 코일에 인가되는 전류는 상기 제어 오류 값이 0인 경우에 유지되고, 음수(negative value)인 경우에 감소되고, 양수(positive value)인 경우에 증가하도록 조절될 수 있다.

상기 전력 전송 상태(640)에서 상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 식별 정보 및/또는 설정 정보를 기초로 생성된 전력 전달 규약(power transfer contract) 내의 파라미터들을 모니터링할 수 있다. 상기 파라미터들을 모니터링한 결과, 상기 전자 기기(200)와의 전력 전송이 상기 전력 전달 규약 내에 포함되어 있는 한정 사항들을 위반하게 되는 경우에는 상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 전력 전송을 취소하고 상기 선택 상태(610)로 되돌아갈 수 있다.

상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 전자 기기(200)로부터 전달된 전력 제어 메시지를 기초로 상기 전력 전송 상태(640)를 종료할 수 있다.

어떤 실시 예들에서, 상기 전자 기기(200)가 전달된 전력을 이용하여 배터리를 충전하는 도중에 상기 배터리의 충전이 완료된 경우 상기 무선 전력 전송장치(100)로 무선 전력 전송을 중지할 것을 요청하는 전력 제어 메시지를 전달할 수 있다. 이 경우, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 전력 전송의 중지를 요청하는 메시지를 수신한 후, 무선 전력 전송을 종료하고 상기 선택 상태(610)로 되돌아 갈 수 있다.

또한 어떤 실시 예들에서는, 상기 전자 기기(200)가 이미 생성된 전력 전달 규약을 갱신하기 위하여 재협상(renegotiation) 또는 재설정(reconfigure)을 요청하는 전력 제어 메시지를 전달할 수 있다. 상기 전자 기기(200)는 현재 전송되는 전력량보다 많거나 적은 양의 전력이 필요한 경우에 상기 전력 전달 규약의 재협상을 요청하는 메시지를 전달할 수 있다. 이 경우, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 전력 전달 규약의 재협상을 요청하는 메시지를 수신한 후, 무선 전력 전송을 종료하고 상기 식별 및 설정 상태(630)로 되돌아 갈 수 있다.

이를 위하여, 상기 전자 기기(200)가 전송하는 메시지는, 예컨대, 도 19에 도시된 바와 같은 전력 전송 중단 패킷(End Power Transfer Packet)(5600)일 수 있다. 상기 패킷(5600)은 전력 전송 중단 패킷임을 알리는 헤더(5620) 및 중단의 이유를 나타내는 전력 전송 중단 코드를 포함하는 메시지(5630)를 포함하도록 구성될 수 있다. 상기 전력 전송 중단 코드는 충전 완료(Charge Complete), 내부 오류(Internal Fault), 과열(Over Temperature), 과전압(Over Voltage), 과전류(Over Current), 배터리 오류(Battery Failure), 재설정(Reconfigure), 무응답(No Response), 알려지지 않은 오류(Unknown) 중 어느 하나를 나타낼 수 있다.

이하에서는 도 20 내지 44를 참조하여 고정 주파수를 사용하는 LC 공진부(또는 LC 공진 발진기)의 이득을 조절할 수 있는 무선 전력 전송장치 및 상기 무선 전력 전송장치에 의한 이득 조절 방법에 대해 설명한다.

LC 공진 발진기를 포함하는 무선 전력 전송장치에 대한 일반적인 설명

무선 전력 전송 방법 중 송신부 코일(Coil)과 수신부 코일(Coil)사이에 발생하는 쇄교 자속을 이용하여 전력을 전송하는 방법이 많이 사용되고 있다. 그러나 일반적으로 그 쇄교 자속이 매우 작기 때문에 주어진 주파수에서 Coil의 인덕턴스 성분에 공진을 일으키는 캐퍼시터를 추가하여 LC 공진을 이용하여 Coil에 흐르는 전류를 대폭 증가시켜 적은 쇄교 자속에도 불구하고 충분한 에너지가 전달될 수 있도록 할 수 있다.(전술된 유도 방식(또는 유도 결합 방식) 및 공진 방식 참조)

전술된 바와 같이, 본 명세서에 개시된 무선 전력 전송장치는 전자기 유도 현상에 기초한 유도 결합(Inductive Coupling) 방식 및 전자기적 공진 현상에 기초한 공진 결합(Electromagnetic Resonance Coupling) 방식 중 하나 이상을 이용하여 발생되는 무선 전력 신호를 생성하여 무선 전력을 무선 전력 수신장치에 전달할 수 있다.

도 20은 일반적인 무선 전력 전송 시스템을 나타내는 예시도이다.

도 20을 참조하면, 일반적인 무선 전력 전송 시스템은 전송측(또는 무선 전력 전송장치)은 정류기(Rectifier), PFC(Power Factor correction), 인버터(inverter) 및 전송측 코일(Tx coil)를 포함할 수 있다. 상기 전송측 코일은 커패시터(미도시)와 함께 공진 회로(또는 진동 회로, resonant circuit)을 형성할 수 있다. 상기 공진 회로는 상기 LC 공진부(또는 LC 공진 발진기)와 대응되는 것일 수 있다. 상기 공진 회로는 전술된 유도 방식 또는 공진 방식을 근거로 무선 전력 신호를 생성하는 역할을 할 수 있다.

상기 Power Factor Corrector(PFC)는 상용전원(예:220V 60Hz)의 AC성분을 제거함과 동시에 전체 시스템이 저항 부하처럼 보이게 하는 역할을 할 수 있다.

상기 LC 공진부는 전송 코일(Tx coil)에 교류가 흐르면, Tx/Rx코일의 쇄교하는 자속으로 인하여 Rx에 전압이 유도가 되고, Tx/Rx코일에 쇄교하는 자속이 낮을 경우 Tx코일에는 더 높은 전류값이 요구되므로 일반적으로 코일에 직렬로 C를 추가된 구조로 이루어지며 공진을 이용하여 전류를 증폭시킨다. 이때, 동작 주파수는 수십kHz~Mhz 범위가 사용될 수 있다.

전송측 코일 및 수신측 코일(Tx/Rx Coil)은 인버터에서 발생한 전기에너지를 자기에너지로 변환하여 에너지를 전송하고 수신하는 안테나 역할을 할 수 있다.

Rectifier, DC/DC Converter는 Rx코일에 유기된 AC성분을 제거하고 최종 부하에서 사용하기에 알맞은 출력 조건을 생성할 수 있다. 최종 부하가 Battery인 경우 Battery Management System이 포함될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 이러한 전송측 구성요소들은 전술된 전력 변환부(111)에 대응되거나 포함되어 구현될 수 있다. 구체적으로는, 상기 진동 회로는 공진 회로를 의미할 수 있으며, 전술한 무선 전력 전송장치(100)의 구성요소로는, 유도 방식의 경우, 상술한 공진을 일으킬 수 있는 수동 소자(인덕터, 캐패시터 또는 기타 저항 소자) 및 전송 코일(1111a)에 대응되는 개념일 수 있으며, 공진 방식(또는 공명 방식)의 경우, 상술한 공진 형성회로(1116) 및 전송 코일(1111b)에 대응되는 개념일 수 있다.

상기 무선 전력 전송 시스템의 수신측(또는 무선 전력 수신장치)은 수신측 코일(Rx coil), 정류기(Rectifier), Regulator 및 배터리를 포함할 수 있다. 상기 수신측 코일은 상기 무선 전력 신호를 수신하고, 상기 수신된 무선 전력 신호를 전기적 신호로 변환하여 정류기에 제공한다. 상기 정류기는 상기 전기적 신호를 정류하고, Regulator등을 통하여 상기 배터리에 전력을 공급할 수 있다. 이러한 방식으로 상기 무선 전력 수신장치는 무선 전력을 수신할 수 있다.

이러한 수신측 구성요소들은 전술된 전력 수신부(291)에 대응되거나 포함되어 구현될 수 있다.

도 21은 하프-브릿지형 인버터부 및 LC 공진부를 나타내는 회로도이다.

도 21을 참조하면, 일반적인 무선 전력 전송장치는 하프-브릿지형 인버터부(IH10) 및 LC 공진부(LC10)을 포함할 수 있다.

상기 하프-브릿지형 인버터부(IH10)는 인버터 구동 신호를 근거로 스위칭 동작을 하여 직류 신호(DC10)을 교류 신호(AC10)으로 변환하는 역할을 할 수 있다.

상기 직류 신호(DC10)은 상기 무선 전력 전송장치에 공급되는 전원에 의해 제공되는 것일 수 있다. 즉, 상기 하프-브릿지형 인버터부(IH10)는 상기 인버터 구동 신호를 근거로 한 스위칭 동작 및 상기 공급된 직류 입력 전원(DC10)을 근거로 교류 신호(AC10)를 생성할 수 있다.

상기 교류 신호는 일명 캐리어 신호일 수 있다. 즉, 상기 무선 전력 전송장치 또는 상기 무선 전력 수신장치는 상기 교류 신호를 크기, 위상 및 주파수 중 적어도 하나를 변조하여 데이터를 송수신할 수 있기 때문에 상기 교류 신호는 상기 데이터를 실어 나르는 캐리어의 역할을 한다는 측면에서 캐리어 신호라고 할 수 있다.

따라서, 상기 캐리어 신호(또는 교류 신호)는 상기 진동 회로를 구동할 수 있으며, 상기 구동에 의해 전송 코일로부터 무선 전력 신호(p100)가 생성될 수 있다. 즉, 상기 무선 전력 신호(p100)는 상기 캐리어 신호(또는 교류 신호, AC10)를 근거로 형성되는 것일 수 있다.

상기 하프-브릿지형 인버터부(IH10)는 상기 LC 공진부(LC10)에 풀-업 전류를 제공하는 한 개의 풀-업 스위칭 소자(S1) 및 풀-다운 전류를 제공하는 한 개의 풀-다운 스위칭 소자(S2)를 포함할 수 있다.

상기 제 1 스위칭 소자(S1) 및 상기 제 2 스위칭 소자(S2)는, MOSFET 및 IGBT 중 적어도 하나로 이루어지는 것일 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 인버터 구동 신호는 펄스 형태를 가질 수 있다.

따라서, 상기 인버터 구동 신호는 상기 제 1 스위칭 소자(S1)를 구동하는 풀-업 신호(Hctrl) 및 상기 제 2 스위칭 소자(S2)를 구동하는 풀-다운 신호(Lctrl)를 포함할 수 있다.

이와 같이, 일 실시예에 따른 무선 전력 전송장치는 전송 코일(Tx coil) 및 공진 커패시터(Cr)를 포함할 수 있고, 상기 전송 코일(Tx Coil) 및 공진 캐퍼시터(Cr)는 LC 공진 탱크(또는 LC 공진부)를 구성할 수 있다.

상기 LC 공진 탱크에 공진 주파수의 구형파(또는 인버터 구동 신호)가 인가 되면 상기 전송 코일(Tx Coil), 공진 커패시터(Cr) 및 스위치(또는 풀-업 스위치 및 풀-다운 스위치)등에서 기생 저항 성분이 없을 경우 무한대의 공진 전류가 LC탱크에 흐를 수 있다.

실제 상황에서는 스위치의 저항성분(예 : Rds), 전송 코일의 저항성분, 공진 커패시터(Cr)의 저항성분 등에 의해 LC탱크의 공진 전류는 제한이 생기지만, 무선 전력전송 시스템에서는 높은 공진 전류를 얻기 위한 시스템인만큼 그 기생성분의 값을 극소화시키고 높은 공진 전류를 얻도록 설계를 하는 것이 중요할 수 있다.

도 22는 풀-브릿지형 인버터부 및 LC 공진부를 나타내는 회로도이다.

도 22를 참조하면, 일반적인 무선 전력 전송장치는 풀-브릿지형 인버터부(IF10) 및 LC 공진부(LC10)을 포함할 수 있다.

기본적인 동작은 도 21에 도시된 하프-브릿지 인버터부(IH10)과 동일하므로 자세한 설명은 생략한다.

다만, 상기 풀-브릿지형 인버터부(IF10)는 전술된 하프-브릿지 인버터부(IH10)와는 달리 상기 LC 공진부에 풀-업 전류를 제공하는 두 개의 풀-업 스위칭 소자(SP1, SP2) 및 풀-다운 전류를 제공하는 두 개의 풀-다운 스위칭 소자(SD1, SD2)를 포함할 수 있다.

이 경우, 상기 인버터 구동 신호는 상기 두 개의 풀-업 스위칭 소자(SP1, SP2) 각각에 인가되는 제 1 풀-업 펄스 신호(Hctrl), 제 2 풀-업 펄스 신호(Hctrl'), 상기 두 개의 풀-다운 스위칭 소자(SD1, SD2) 각각에 인가되는 제 1 풀-다운 펄스 신호(Lctrl) 및 제 2 풀-다운 펄스 신호(Lctrl')를 포함할 수 있다.

다양한 무선 전력 전송장치의 전송 이득 조절방법에 대한 설명

상술한 LC공진 회로(또는 LC 공진 탱크)의 이득(또는 무선 전력 전송장치의 전송 이득)을 조절하는 방법에는 다음과 같은 방법들이 있을 수 있다.

먼저, 인버터 구동 주파수를 조절하여 상기 무선 전력 전송장치의 전송 이득을 조절할 수 있다.

도 23은 LC 공진 탱크의 입력전압이 일정할 때 구동 주파수에 따른 전류 크기를 나타내는 그래프이다.

도 23을 참조하면, 인버터 구동 신호의 주파수에 따른 전류 크기는 상기 무선 전력 전송장치의 전송이득을 나타내는 것일 수 있다. 즉, 도 23은 상기 무선 전력 전송장치의 전송 이득 그래프를 나타내는 것일 수 있다.

상기 무선 전력 전송장치는 인버터 구동 신호의 구동 주파수를 조정하여 상기 전송 이득을 조절할 수 있다.

다만, 상기 전송 이득 그래프 중 제 1 영역(R100)의 경우, 전송 이득은 크지만 곡선의 모양이 첨예하기 때문에 전송 이득의 제어가 어려울 수 있다.

반대로, 상기 전송 이득 그래프 중 제 2 영역(R200)의 경우, 전송 이득은 작지만 전송 이득의 제어가 상기 제 1 영역(R100)에 비해 상대적으로 쉬울 수 있다.

일반적으로 무선 전력 시스템에서의 전송 이득 프로파일(또는 그래프)는 High-Q값을 가지며 쇄교 자속이 매우 낮고 부하에서 손실되는 에너지가 LC공진 에너지에 비해 무시되는 경우, 일반적인 LC 공진을 일으킬 경우와 특성 곡선이 크게 다르지 않을 수 있다.

쇄교자속이 더 낮은 무선전력전송 시스템의 경우 더 높은 코일(Coil)전류가 필요하기 때문에 이러한 경우에는 더 첨예한 특성 곡선을 이용하여야 할 수 있다.

다음으로, 인버터부에 공급되는 직류 입력 전압을 변경하여 상기 무선 전력 전송장치의 이득을 조절하는 방법이 있을 수 있다.

도 24는 직류 입력 전압의 변경을 통한 전송 이득 조절방법을 나타내는 예시도이다.

도 24에 개시된 무선 전력 전송장치는 풀-브릿지 인버터 및 LC 공진 탱크를 포함할 수 있다.

도 24를 참조하면, 상기 풀-브릿지 인버터로 인가되는 전압을 직접 조절하여 이득을 조절할 수 있다. 이를 위해 상기 풀-브릿지 인버터의 전원단에는 DC/DC 컨버터가 연결될 수 있다.

상기 DC/DC 컨버터는 상기 무선 전력 전송장치에 포함된 제어부(또는 전술된 전력 송신 제어부, 112)의 제어에 의해 상기 직류 입력 전압을 변경하여 상기 무선 전력 전송장치의 전송이득을 조절할 수 있다.

다음으로, 인버터에 포함된 스위치를 제어하는(또는 구동하는) 신호(예를 들어, Hctrl 및 Lctrl)의 듀티(Duty)를 조절하여 상기 무선 전력 전송장치에 해당하는 전송이득이 조절될 수 있다.

도 25는 인버터 구동 신호의 듀티 조절을 통한 전송 이득 조절방법을 나타내는 예시도이다.

도 25를 참조하면, 무선 전력 수신장치에 해당하는 부하가 큰 경우(예를 들어, Full load), 인버터 구동 신호(Hctrl 및 Lctrl)의 듀티를 크게 하고, 상기 무선 전력 수신장치에 해당하는 부하가 작은 경우(Light load), 상기 인버터 구동 신호(Hctrl 및 Lctrl)의 듀티를 작게 하여 상기 무선 전력 전송장치의 전송 이득을 조절할 수 있다.

다음으로, Phase-Shifted Full Bridge 구조를 사용하는 방법도 있을 수 있다.

도 26은 Phase-Shifted Full Bridge 구조를 이용한 전송 이득 조절방법을 나타내는 예시도이다.

도 26을 참조하면, Full Bridge 구조에서, 도 26에 도시된 것과 같은 구동 신호들(Hctrl, Lctrl)을 통하여 전송 이득을 조절하는 것으로 일종의 듀티 조절을 통한 전송 이득 조절 방법으로 볼 수 있다.

이하에서는 도 27 내지 44를 참조하여 본 명세서에 개시된 실시예들에 따른 전송이득 조절방법에 대해 설명한다.

본 명세서에 개시된 기술은, LC공진을 이용한 인버터(Inverter)설계에 있어서 효율적으로 공진 탱크 전류를 제어할 수 있는 방법을 제시할 수 있다.

본 명세서에 개시된 기술의 목적은 LC 공진을 이용하는 인버터 회로에 있어서 고정주파수를 사용하되, 동작 전 구간에서 소프트 스위칭(Soft Switching)을 확보하여 스위칭 손실을 극소화시키고(사용하는 스위치의 종류와 회로 입출력 정격에 따라 ZVS(Zero Voltage Switching), ZCS(Zero Current Switching)중 선택 가능), 또한 상기 목적들을 만족함과 동시에 원하는 LC 공진 탱크의 전류를 제어하는 데 있을 수 있다.

본 명세서에 개시된 기술의 요지는 다음과 같다.

1. 고정 주파수를 사용해야 하는 High-Q LC공진 시스템에서 LC탱크 전류를 제어하고자 할 때, 펄스-스킵(Pulse-skip)을 이용하고,

2. 1에 있어서 LC공진 탱크의 전류 또는 전압을 제어를 위하여 상한치를 감지하며,

3. 1에 있어서 2에서 감지한 신호를 이용하여 펄스(Pulse)를 스킵(skip)하여 전송 이득을 조절하는 무선 전력 전송장치 및 전송 이득을 조절하는 방법에 관한 것이다.

본 명세서에 개시된 일 실시예에 따른 무선 전력 전송장치에 대한 설명

본 명세서에 개시된 일 실시예에 따른 무선 전력 전송장치는 무선 전력 신호를 생성하여 무선 전력 수신장치로 무선 전력을 전송하며, 펄스 신호를 생성하는 펄스 신호 생성부, 상기 펄스 신호에 포함된 복수의 펄스 중 적어도 하나의 펄스를 제거하여 인버터 구동 신호를 생성하는 펄스 스킵부, 상기 인버터 구동 신호를 근거로 직류 신호를 교류 신호로 변환하는 인버터부, 상기 교류 신호에 의한 LC 공진 현상을 근거로 상기 무선 전력 신호를 생성하는 LC 공진부 및 상기 적어도 하나의 펄스를 제거하여 상기 무선 전력 신호의 크기가 조절되도록 상기 펄스 스킵부를 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 제어부는, 기준 신호(또는 기준 전류 내지 기준 전압을 근거로 상기 복수의 펄스 중 제거되어야 할 상기 적어도 하나의 펄스를 결정하고, 상기 적어도 하나의 펄스의 제거를 지시하는 제어 신호를 상기 펄스 스킵부에 전달할 수 있다.

또한, 일 실시예에 따르면, 상기 무선 전력 전송장치는, 상기 기준 전류 또는 상기 기준 전압을 검출하는 검출부를 더 포함할 수 있다.

또한, 일 실시예에 따르면, 상기 기준 전류 또는 상기 기준 전압은, 상기 인버터부 및 상기 LC 공진부 중 적어도 하나의 내부 전류 또는 내부 전압인 것일 수 있다.

또한, 일 실시예에 따르면, 상기 제어부는, 상기 기준 전류 또는 상기 기준 전압에 해당하는 크기가 특정 값 이상이 되는 시점을 근거로 상기 적어도 하나의 펄스를 결정하는 것일 수 있다.

또한, 일 실시예에 따르면, 상기 제어부는, 상기 기준 전류 또는 상기 기준 전압에 해당하는 크기의 피크 값을 검출하고, 상기 피크 값이 상기 특정 값 이상이 되는 시점을 근거로 상기 적어도 하나의 펄스를 결정하는 것일 수 있다.

또한, 일 실시예에 따르면, 상기 인버터부는, 상기 LC 공진부에 풀-업 전류를 제공하는 제 1 스위칭 소자 및 풀-다운 전류를 제공하는 제 2 스위칭 소자를 포함할 수 있다.

또한, 일 실시예에 따르면, 상기 제 1 스위칭 소자 및 상기 제 2 스위칭 소자는, MOSFET 및 IGBT 중 적어도 하나로 이루어지는 것일 수 있다.

또한, 일 실시예에 따르면, 상기 제어부는, 기준 전류를 근거로 상기 복수의 펄스 중 제거되어야 할 상기 적어도 하나의 펄스를 결정하고, 상기 적어도 하나의 펄스의 제거를 지시하는 제어 신호를 상기 펄스 스킵부에 전달하되, 상기 기준 전류는, 상기 제 1 스위칭 소자의 소스 단자, 상기 제 2 스위칭 소자의 소스 단자 및 상기 제 1 스위칭 소자의 드레인 단자와 상기 제 2 스위칭 소자의 드레인 단자 간의 접점 노드 중 적어도 하나에 해당하는 전류인 것일 수 있다.

또한, 일 실시예에 따르면, 상기 LC 공진부는, 적어도 하나의 인덕터 및 적어도 하나의 커패시터를 포함하고, 상기 제어부는, 기준 전류 또는 기준 전압을 근거로 상기 복수의 펄스 중 제거되어야 할 상기 적어도 하나의 펄스를 결정하고, 상기 적어도 하나의 펄스의 제거를 지시하는 제어 신호를 상기 펄스 스킵부에 전달하되, 상기 기준 전류 또는 상기 기준 전압은, 상기 적어도 하나의 인덕터와 상기 적어도 하나의 커패시터 간의 접점 노드에 해당하는 전류 또는 전압인 것일 수 있다.

또한, 일 실시예에 따르면, 상기 인버터부는, 상기 LC 공진부에 풀-업 전류를 제공하는 한 개의 풀-업 스위칭 소자 및 풀-다운 전류를 제공하는 한 개의 풀-다운 스위칭 소자를 포함하는 하프-브릿지 인버터로 구현되고, 상기 펄스 신호는, 상기 한 개의 풀-업 스위칭 소자에 인가되는 구동 신호를 생성하기 위한 제 1 풀-업 펄스 신호 및 상기 한 개의 풀-다운 스위칭 소자에 인가되는 구동 신호를 생성하기 위한 제 1 풀-다운 펄스 신호를 포함하는 것일 수 있다.

또한, 일 실시예에 따르면, 상기 제어부는, 상기 제 1 풀-업 펄스 신호에 포함된 복수의 펄스 중 적어도 하나의 제 1 풀-업 펄스 및 상기 제 1 풀-다운 펄스 신호에 포함된 복수의 펄스 중 적어도 하나의 제 1 풀-다운 펄스 중 적어도 하나를 제거하여 상기 무선 전력 신호의 크기가 조절되도록 상기 펄스 스킵부를 제어하는 것일 수 있다.

또한, 일 실시예에 따르면, 상기 인버터부는, 상기 LC 공진부에 풀-업 전류를 제공하는 두 개의 풀-업 스위칭 소자 및 풀-다운 전류를 제공하는 두 개의 풀-다운 스위칭 소자를 포함하는 풀-브릿지 인버터로 구현되고, 상기 펄스 신호는, 상기 두 개의 풀-업 스위칭 소자 각각에 인가되는 구동 신호를 생성하기 위한 제 1 풀-업 펄스 신호, 제 2 풀-업 펄스 신호, 상기 두 개의 풀-다운 스위칭 소자 각각에 인가되는 구동 신호를 생성하기 위한 제 1 풀-다운 펄스 신호 및 제 2 풀-다운 펄스 신호를 포함하는 것일 수 있다.

또한, 일 실시예에 따르면, 상기 제어부는, 상기 제 1 풀-업 펄스 신호에 포함된 복수의 펄스 중 적어도 하나의 제 1 풀-업 펄스, 상기 제 2 풀-업 펄스 신호에 포함된 복수의 펄스 중 적어도 하나의 제 2 풀-업 펄스, 상기 제 1 풀-다운 펄스 신호에 포함된 복수의 펄스 중 적어도 하나의 제 1 풀-다운 펄스 및 상기 제 2 풀-다운 펄스 신호에 포함된 복수의 펄스 중 적어도 하나의 제 2 풀-다운 펄스 중 적어도 하나를 제거하여 상기 무선 전력 신호의 크기가 조절되도록 상기 펄스 스킵부를 제어하는 것일 수 있다.

또한, 일 실시예에 따르면, 상기 인버터부는, 상기 LC 공진부에 풀-업 전류를 제공하는 적어도 하나의 풀-업 스위칭 소자 및 풀-다운 전류를 제공하는 적어도 하나의 풀-다운 스위칭 소자를 포함하되, 상기 적어도 하나의 풀-업 스위칭 소자 및 상기 적어도 하나의 풀-다운 스위칭 소자는 ZVS(Zero Voltage Switching) 또는 ZCS(Zero Current Switching)을 근거로 한 스위칭이 이루어지는 것일 수 있다.

도 27은 본 명세서에 개시된 일 실시예에 따른 전송 이득의 조절 기능을 구비한 무선 전력 전송장치의 구성도이다.

도 27을 참조하면, 본 명세서에 개시된 일 실시예에 따른 무선 전력 전송장치는 펄스 신호 생성부(PG100), 펄스 스킵부(PS100), 인버터부(I100), LC 공진부(100) 및 제어부(C100)를 포함할 수 있다.

이하, 상기 구성요소들에 대해 차례로 살펴본다.

상기 펄스 신호 생성부(PG100)는 펄스 신호를 생성하는 역할을 할 수 있다. 상기 펄스 신호는 다양한 형태의 펄스를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 펄스 신호는 구형파 형태를 가질 수 있다.

상기 펄스 신호 생성부(PG100)는 다양한 방식으로 구현되어 상기 펄스 신호를 생성할 수 있다. 예를 들어, 상기 펄스 신호가 구형파인 경우, 상기 펄스 신호 생성부(PFG100)는 링 오실레이터(Ring Oscillator) 또는 VCO(Voltage controlled oscillator)로 구현될 수 있다. 또한, 예를 들어, 상기 펄스 신호 생성부(PFG100)는 적어도 하나의 인덕터 및 적어도 하나의 커패시턴스를 포함하는 LC 공진 발진기로 구현될 수 있다.

상기 펄스 스킵부(PS100)는 상기 펄스 신호에 포함된 복수의 펄스 중 적어도 하나의 펄스를 제거하여 인버터 구동 신호를 생성하는 역할을 할 수 있다.

상기 펄스 스킵부(PS100)는 상기 복수의 펄스에서 상기 적어도 하나의 펄스를 제거하기 위해 다양한 디지털 회로 소자들(예를 들어, 플립-플롭, 로직 게이트등)을 포함할 수 있다.

상기 펄스 스킵부(PS100)는 상기 펄스 신호에서 상기 적어도 하나의 펄스를 제거하여 인버터 구동신호를 생성하고, 상기 인버터 구동 신호를 상기 인버터부(I100)에 제공할 수 있다.

이 경우, 상기 적어도 하나의 펄스가 제거된 인버터 구동신호를 근거로 생성된 무선 전력 신호는 상기 적어도 하나의 펄스를 제거되지 않은 인버터 구동신호를 근거로 생성된 무선 전력 신호보다 그 크기가 감소하여 상기 무선 전력 전송장치의 전송이득이 감소될 수 있다. 이러한 방식으로 상기 무선 전력 전송장치는 전송 이득의 조절을 할 수 있게 된다.

상기 인버터부(I100)는 상기 인버터 구동 신호를 근거로 직류 신호를 교류 신호로 변환할 수 있다.

상기 직류 신호는 상기 인버터부(I100)에 공급되는 직류 입력 전원일 수 있다.

구체적으로, 상기 인버터부(I100)는 상기 인버터 구동 신호를 근거로 상기 LC 공진부(LC100)에 제공되는 전류를 제어함으로써 상기 직류 신호를 상기 교류 신호로 변환할 수 있다.

상기 교류 신호는 전술한 바와 같이, 상기 LC 공진부(LC100)에 공급되는 캐리어 신호일 수 있다.

상기 LC 공진부(LC100)는 상기 교류 신호(또는 캐리어 신호)에 의한 LC 공진 현상을 근거로 상기 무선 전력 신호를 생성하는 역할을 할 수 있다.

상기 LC 공진부(LC100)는 적어도 하나의 인덕터 및 적어도 하나의 커패시턴스를 포함할 수 있고, 상기 교류 신호를 입력받아 상기 적어도 하나의 인덕터 및 적어도 하나의 커패시턴스에 의한 LC 공진 현상을 근거로 상기 무선 전력 신호를 생성할 수 있다. 예를 들어, 상기 LC 공진부(LC100)는 LC 공진 탱크 회로로 구현될 수 있다.

상기 제어부(C100)는 상기 적어도 하나의 펄스를 제거하여 상기 무선 전력 신호의 크기가 조절되도록 상기 펄스 스킵부(PS100)를 제어하는 역할을 할 수 있다.

상기 제어부(C100)는 전술된 전력 송신 제어부(112)에 대응되거나 포함되는 구성요소일 수 있다.

구체적으로, 상기 제어부(C100)는 상기 펄스 스킵부(PS100)가 상기 펄스 신호에 포함된 복수의 펄스에서 상기 적어도 하나의 펄스를 제거하여 상기 인버터 구동 신호를 생성하도록 상기 펄스 스킵부(PS100)를 제어할 수 있다.

상기 적어도 하나의 펄스가 제거된 상기 인버터 구동신호를 근거로 상기 인버터부(I100)가 상기 직류 신호를 상기 교류 신호로 변환하기 때문에, 상기 인버터부(I100)에 의해 생성된 교류 신호를 근거로 생성되는 무선 전력 신호의 크기가 조절되어 상기 무선 전력 전송장치의 전송이득이 조절될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 제어부(C100)는, 기준 신호(RS100)를 근거로 상기 복수의 펄스 중 제거되어야 할 상기 적어도 하나의 펄스를 결정할 수 있다.

이 경우, 상기 제어부(C100)는 상기 적어도 하나의 펄스의 제거를 지시하는 제어 신호를 상기 펄스 스킵부(PS100)에 전달할 수 있다.

이를 위해, 상기 제어부(C100)는, 상기 기준 신호(RS100)를 검출하는 검출부(미도시)를 더 포함할 수 있다.

상기 검출부에 의해 검출된 상기 기준 신호(RS100)는 상기 인버터부(I100) 및 상기 LC 공진부(LC100) 중 적어도 하나의 내부 전류 또는 내부 전압인 것일 수 있다.

또한, 일 실시예에 따르면, 상기 제어부(C100)는, 상기 기준 신호(RS100)에 해당하는 크기가 특정 값 이상이 되는 시점을 근거로 상기 적어도 하나의 펄스를 결정하는 것일 수 있다.

즉, 상기 제어부(C100)는 상기 기준 신호(RS100)에 해당하는 크기가 특정 값(또는 설정 값, 설계 값 내지 기준 값)이상이 되는 경우, 상기 LC 공진부(LC100)에 의해 생성되는 무선 전력 신호의 크기가 커서 전송 이득을 감소시킬 필요가 있다고 판단할 수 있다.

일반적으로 상기 적어도 하나의 펄스가 제거되지 않은 인버터 구동신호는 상기 무선 전력 신호의 크기를 계속적으로 증가시키는 특성을 나타낼 수 있다. 따라서, 상기 무선 전력 신호의 크기 조절에 의한 전송이득의 조절 특성은 상기 적어도 하나의 펄스를 제거하지 않은 경우는 전송이득의 증가를 나타내고, 상기 적어도 하나의 펄스를 제거하는 경우는 전송이득의 감소를 나타낼 수 있다.

그러나, 변형된 일 실시예에 따르면, 상기 특정 값은 상위 설정값 및 하위 설정값을 포함할 수 있고, 상기 제어부(C100)는 상기 기준 신호(RS100)가 상기 상위 설정값 이상이 되는 경우, 상기 적어도 하나의 펄스가 제거된 인버터 구동신호가 상기 LC 공진부(LC100)에 제공되도록 하고, 상기 기준 신호(RS100)가 상기 하위 설정값 이하가 되는 경우, 상기 적어도 하나의 펄스가 제거되지 않은 인버터 구동신호가 상기 LC 공진부(LC100)에 제공되도록 할 수 있다.

또한, 일 실시예에 따르면, 상기 제어부(C100)는, 상기 기준 신호(RS100)에 해당하는 크기의 피크 값을 검출하고, 상기 피크 값이 상기 특정 값 이상이 되는 시점을 근거로 상기 적어도 하나의 펄스를 결정하는 것일 수 있다.

즉, 이 경우, 상기 제어부(C100)는 상기 기준 신호(RS100)의 피크 값만을 검출하고, 상기 검출된 피크 값을 상기 특정 값과 비교하여 상기 피크값이 상기 특정 값보다 큰 경우 상기 적어도 하나의 펄스가 제거된 인버터 구동신호를 상기 LC 공진부(LC100)에 공급할 수 있다.

도 28은 본 명세서에 개시된 일 실시예에 따른 하프-브릿지형 인버터를 구비하는 무선 전력 전송장치를 나타내는 구성도이다.

도 28을 참조하면, 본 명세서에 개시된 일 실시예에 따른 무선 전력 전송장치(100)는 오실레이터(Oscillator, PG200), 펄스 스킵퍼(Pulse Skipper, PS200), 하프-브릿지 인버터(I200), LC 탱크 회로(LC200), 전압/전류 검출기(Voltage/Current Detector, SD100) 및 피크 검출기(Peak Detector, PD100)를 포함할 수 있다.

또한, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 게이트 드라이버(Gate Driver, DR100)를 더 포함할 수 있다.

상기 오실레이터(PG200)는 인버터 구동 신호를 생성하기 위한 펄스 신호를 생성하는 역할을 할 수 있다. 예를 들어, 상기 펄스 신호는 구형파 신호일 수 있다. 따라서, 상기 오실레이터(PG200)는 전술된 펄스 신호 생성부(PG100)에 대응되거나 포함되는 구성요소일 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 오실레이터(PG200)는 링-오실레이터 또는 VCO등 구형파를 생성할 수 있는 회로로 이루어질 수 있다.

상기 펄스 스킵퍼(PS200)는 상기 오실레이터(PG200)에 의해 생성된 펄스 신호에 포함된 복수의 펄스 중 적어도 하나의 펄스를 제거하여 상기 인버터 구동 신호를 생성할 수 있다.

즉, 상기 인버터 구동 신호는 상기 적어도 하나의 펄스가 제거된 펄스 신호를 의미할 수 있다.

상기 펄스 스킵퍼(PS200)는 전술된 펄스 스킵부(PS100)에 대응되거나 포함되는 구성요소일 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 무선 전력 전송장치(100)는 상기 적어도 하나의 펄스가 제거된 펄스 신호를 버퍼링하여 안정된 인버터 구동신호를 상기 하프-브릿지 인버터(I200)에 공급하는 게이트 드라이버(DR100)을 더 포함할 수 있다.

상기 하프-브릿지 인버터(I200)는 상기 인버터 구동 신호를 근거로 직류 신호(또는 직류 입력 전원, DC1)를 교류 신호(AC1)로 변환하는 역할을 할 수 있다.

상기 하프-브릿지 인버터(I200)는 상기 LC 탱크 회로(LC200)에 풀-업 전류를 제공하는 제 1 스위칭 소자(S1) 및 풀-다운 전류를 제공하는 제 2 스위칭 소자(S2)를 포함할 수 있다.

상기 하프-브릿지 인버터(I200)는 전술된 인버터부(I100)에 대응되거나 포함되는 구성요소일 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 제 1 스위칭 소자(S1) 및 상기 제 2 스위칭 소자(S2)는, MOSFET 및 IGBT 중 적어도 하나로 이루어지는 것일 수 있다.

따라서, 상기 하프-브릿지 인버터(I200)에 제공되는 인버터 구동신호는 상기 제 1 스위칭 소자(S1)의 구동을 위한 풀-업 구동신호(Hctrl) 및 상기 제 2 스위칭 소자(S2)의 구동을 위한 풀-다운 구동신호(Ctrl)로 이루어질 수 있다.

이 경우, 상기 오실레이터(PG200)는 상기 풀-업 구동신호(Hctrl)의 생성을 위한 제 1 펄스 신호 및 상기 풀-다운 구동신호(Ctrl)의 생성을 위한 제 2 펄스 신호를 생성할 수 있다.

상기 LC 탱크 회로(LC200)는 상기 교류 신호(AC1)를 상기 하프-브릿지 인버터(I200)로부터 입력 받아 LC 공진을 일으키고, 상기 LC 공진을 근거로 무선 전력 신호를 생성하여 무선 전력 수신장치로 무선 전력을 전달하는 역할을 할 수 있다.

상기 무선 전력 신호는 유도 방식 또는 공진 방식에 따라 자기적 신호 내지 전자기적 신호가 될 수 있다.

상기 전압/전류 검출기(SD100)는 기준 신호(RS1)를 검출하는 역할을 할 수 있다.

상기 기준 신호(RS1)는 기준 전류 또는 기준 전압일 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 기준 신호(RS1)는 상기 하프-브릿지 인버터(I200) 및 상기 LC 탱크 회로(LC200) 중 적어도 하나의 내부 전류 또는 내부 전압인 것일 수 있다.

예를 들어, 상기 기준 전류는, 상기 제 1 스위칭 소자(S1)의 소스 단자, 상기 제 2 스위칭 소자(S2)의 소스 단자 및 상기 제 1 스위칭 소자(S1)의 드레인 단자와 상기 제 2 스위칭 소자(S2)의 드레인 단자 간의 접점 노드(NJ1) 중 적어도 하나에 해당하는 전류인 것일 수 있다.

또한, 예를 들어, 상기 기준 전압은, 상기 적어도 하나의 인덕터와 상기 적어도 하나의 커패시터 간의 접점 노드(NJ1)에 해당하는 전압일 수 있다.

상기 피크 검출기(PD100)는 상기 검출된 기준 신호(RS1)에 해당하는 크기의 피크 값을 검출하는 역할을 할 수 있다.

또한, 상기 피크 검출기(PD100)는 상기 피크 값이 상기 특정 값 이상이 되는 시점을 근거로 상기 적어도 하나의 펄스를 결정할 수 있다.

구체적으로, 상기 피크 검출기(PD100)는 상기 피크 값이 상기 특정 값 이상이 되는 시점을 기준으로 이후에 존재하는 하나의 펄스를 제거하도록 상기 펄스 스킵퍼(PS200)에 제어신호(SC1)을 제공(또는 전달)할 수 있다.

상기 펄스 스킵퍼(PS200)는 상기 제어신호(SC1)을 근거로 상기 오실레이터(PG200)에 의해 생성되는 펄스 신호에 포함된 펄스 중 상기 피크 값이 상기 특정 값 이상이 되는 시점을 기준으로 이후에 존재하는 하나의 펄스를 제거하여 상기 인버터 구동 신호(Hctrl 및 Ctrl, 또는 상기 게이트 드라이버(DR100)가 포함된 경우, 게이트 드라이버(DR100)의 입력)를 생성할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 전압/전류 검출기(SD100) 및 상기 피크 검출기(PD100)에 해당하는 기능은 하나의 제어부(미도시)에 의해 수행될 수 있다.

이 경우, 상기 제어부는, 상기 기준 신호를 근거로 상기 복수의 펄스 중 제거되어야 할 상기 적어도 하나의 펄스를 결정하고, 상기 적어도 하나의 펄스의 제거를 지시하는 제어 신호(SC1)를 상기 펄스 스킵퍼(PS200)에 전달할 수 있다.

구체적으로, 도 28의 경우, 상기 제어부는 상기 기준 신호에 해당하는 크기의 피크 값을 검출하고, 상기 피크 값이 상기 특정 값 이상이 되는 시점을 근거로 제거되어야 할 적어도 하나의 펄스를 결정하고, 이를 지시하는 제어신호(SC1)를 상기 펄스 스킵퍼(PS200)에 전달할 수 있다.

도 29는 도 28에 도시된 무선 전력 전송장치의 의한 펄스 스킵 과정을 나타내는 예시도이다.

도 29를 참조하면, 상기 전압/전류 검출기(SD100)는 상기 LC 탱크 회로(LC200)의 LC 탱크 전류(예를 들어, 노드 NJ1에 해당하는 전류)를 검출할 수 있다.

이 경우, 상기 피크 검출기(PD100)는 상기 LC 탱크 전류의 피크 점이 설정값(또는 특정 값) 이상이 되는지 판단하고, 상기 피크 점이 설정값 이상인 경우, 상기 피크 점 이후에 존재하는 펄스를 스킵하여 인버터 구동 신호(Hctrl, Lctrl)를 생성할 수 있다.

상기 하프-브릿지 인버터(I200)는 상기 인버터 구동 신호(Hctrl, Lctrl)를 근거로 스위칭 동작을 할 수 있다.

상기 하프-브릿지 인버터(I200)는 상기 스위칭 동작 및 직류 입력 전원을 근거로 교류 신호를 생성할 수 있다.

이 경우, 상기 스위칭 동작은 소프트 스위칭이 이루어지게 제어될 수 있다.

상기 소프트 스위칭 제어를 통해 스위칭 손실이 감소될 수 있다.

예를 들어, 상기 소프트 스위칭은 ZVS(Zero Voltage Switching) 또는 ZCS(Zero Current Switching)일 수 있다.

상기 ZVS(Zero Voltage Switching)인 경우, 스위칭의 조건은 상기 인버터 구동신호의 주파수가 상기 LC 탱크 회로(LC200)에 해당하는 공진 주파수보다 큰 경우일 수 있다.

또한, 상기 ZCS(Zero Current Switching)인 경우, 스위칭의 조건은 상기 인버터 구동신호의 주파수가 상기 LC 탱크 회로(LC200)에 해당하는 공진 주파수보다 작은 경우일 수 있다.

상기 소프트 스위칭에 대한 것은 도 43 내지 도 44를 참조하여 자세히 후술된다.

도 28 및 도 29에 기술된 펄스 스킵을 통한 전송이득 조절방법을 간단히 정리하면 아래와 같다.

1. LC공진 주파수로 설정된 (혹은 ZVS, ZCS를 위하여 공진주파수에 약간 어긋난) 오실레이터(Oscillator)를 이용하여 스위치(MOSFET, IGBT등)을 제어하여 LC공진탱크에 공진을 일으킨다.

2. 매 사이클 마다 LC공진 탱크에 인가되는 전압 혹은 전류가 증가할 수 있다.

3. LC공진 탱크에 인가되는 전압 혹은 전류가 미리 지정된 상한치(또는 설정값)를 넘기는 것을 감지하여 확인되면 온전한 다음 사이클을 스킵하게 하여 LC공진탱크에 에너지가 공급되지 않도록 한다.

4. 이렇게 LC공진탱크에 에너지가 펄스가 스킵되는 동안 스위치에 내장된 바디 다이오드(Body Diode)를 통하여 에너지가 Free Wheeling하게 되며, LC공진 탱크에 인가되는 전압 및 전류는 감소한다.

이러한 방식으로 무선 전력 전송장치의 전송 이득이 조절될 수 있다.

이하에서는 도 30 내지 도 31을 참조하여 본 명세서에 개시된 일 실시예에 따른 상기 기준 신호의 검출 방법에 대해 살펴본다.

도 30 및 도 31은 본 명세서에 개시된 일 실시예에 따른 기준 신호의 검출 방법을 나타내는 예시도이다.

도 30 및 도 31을 참조하면, 공진에 영향을 주지 않을 큰 값의 고압저항 및 작은 값의 고압캐퍼시터를 추가로 연결하여 공진 전류 혹은 전압을 감지할 수 있다.

이 경우, 도 30과 같이 공진 캐퍼시터에 병렬로 연결하는 것을 기본으로 할 때, 감지된 신호의 위상은 다음과 같을 수 있다.

A와 같이 구성된 경우는 고압캐퍼시터 및 센싱(sensing) 저항으로 구성되며, 센싱 신호의 위상은 공진 탱크에 흐르는 전류의 위상과 같다.

B와 같이 구성된 경우는 고압저항 및 센싱(sensing) 저항으로 구성되며, 센싱 신호의 위상은 공진 탱크의 캐퍼시터에 인가되는 전압과 같다.

C와 같이 구성된 경우는 고압캐퍼시터와 저항의 병렬연결 및 센싱(sensing) 저항으로 구성되며 센싱 신호의 위상은 상기 A 및 B 구성에서 센싱된 신호 사이의 위상을 가진다.

이때, A, B, C 각 경우에서 센싱(sensing) 저항은 절연을 위하여 OptoCoupler로 교체가 가능하다.

또한, 기타 다양한 R, C의 조합으로 공진탱크 전류를 기준으로 -90˚ ~ 90˚의 신호가 감지될 수 있다.

따라서, 상기 무선 전력 전송장치는 상기 공진 탱크의 내부에 존재하는 기준 신호(또는 내부 신호, 예를 들어, 내부 전류 또는 내부 전압)을 근거로 상기 기준 신호의 위상과 -90˚ ~ 90˚사이의 위상차를 갖는 감지 신호(예를 들어, 상기 A, B 또는 C의 구성으로부터 감지된 신호)를 생성하고, 상기 감지 신호를 기준으로 펄스 스킵을 수행할 수 있다.

도 32 및 도 33은 본 명세서에 개시된 일 실시예에 따른 구체적인 펄스 스킵 방법을 나타내는 예시도이다.

도 32 및 도 33을 참조하면, 본 명세서에 개시된 일 실시예에 따른 무선 전력 전송장치(100)는 오실레이터(PG300), 게이트 드라이버(GD200), 인버터부(I300), LC 공진부(LC300), 기준 신호 검출부(SD200), 히스테리시스 비교기(Hysteresis Comparator, HC100) 및 플립-플롭(Flip-Flop, FF1)을 포함할 수 있다.

상기 오실레이터(PG300)는 상기 인버터부(I300)에 공급되는 인버터 구동신호를 생성하기 위한 펄스 신호를 생성하는 역할을 할 수 있다.

상기 게이트 드라이버(GD200)는 상기 펄스 신호를 입력받아 이를 버퍼링하여 인버터 구동 신호(Hctrl, Lctrl)를 생성하는 역할을 할 수 있다.

도 32에 도시된 상기 게이트 드라이버(GD200)는 도 28에 도시된 펄스 스킵퍼(PS200)에 해당하는 기능을 함께할 수 있다.

즉, 상기 게이트 드라이버(GD200)는 상기 플립-플롭(FF1)으로부터 제어신호(또는 펄스 스킵 활성화 신호, EN)를 수신하여 상기 제어신호가 'High'(또는 활성화)된 경우, 그 시점 이후에 존재하는 상기 펄스 신호의 펄스를 제거하는 역할을 할 수 있다.

상기 인버터부(I300)는 상기 게이트 드라이버(GD200)으로부터 상기 인버터 구동 신호(Hctrl, Lctrl)를 전달받아 스위칭 동작을 통해 직류 신호(또는 직류 입력 전원)를 교류 신호(또는 캐리어 신호)로 변환할 수 있다.

상기 LC 공진부(LC300)는 상기 교류 신호에 의한 LC 공진을 일으키고, 상기 LC 공진(또는 LC 공진 현상)을 근거로 무선 전력 신호를 생성할 수 있다.

상기 기준 신호 검출부(SD200)는 상기 LC 공진부(LC300)에 해당하는 LC 탱크 전류를 검출하고, 상기 LC 탱크 전류와 특정 위상차를 가지는 감지신호(Vsen)를 생성하는 역할을 한다.

도 32의 경우, 상기 기준 신호 검출부(SD200)는 도 30에 도시된 C 구성에 다이오드(D1)이 결합된 구조를 가지고 있다.

이때, 상기 다이오드(D1)의 역할은 감지 신호(Vsen)이 음의 방향으로 과다하게 떨어지지 않게 함으로써 상기 히스테리시스 비교기(Hysteresis Comparator, HC100)를 보호하는 역할을 할 수 있다.

상기 히스테리시스 비교기(HC100)는 상기 감지 신호(Vsen)를 지령치(Vref)와 비교하여 상기 감지 신호(Vsen)가 상기 지령치 이상인 경우, 디지털 값 '1'에 해당하는 고-레벨(high-level)의 신호를 출력하는 역할을 할 수 있다.

다만, 상기 히스테리시스 비교기(HC100)는 히스테리시스 특성을 가지는 비교기로서, 상기 지령치(Vref)를 기준으로 하여 상위 지령치 및 하위 지령치를 가질 수 있다.

즉, 상기 히스테리시스 비교기(HC100)는 상기 상위 지령치 및 하위 지령치 간에 형성되는 히스테리시스 윈도우를 가질 수 있다(도 33 참조).

따라서, 상기 히스테리시스 비교기(HC100)는 상기 감지 신호(Vsen)이 상기 상위 지령치 이상인 경우, 디지털 값 '1'에 해당하는 고-레벨(high-level)의 신호를 출력하고, 상기 감지 신호(Vsen)가 상기 하위 지령치 이하인 경우, 디지털 값 '0'에 해당하는 저-레벨(low-level)의 신호를 출력할 수 있다.

상기 플립-플롭(FF1)은 상기 히스테리시스 비교기(HC100)의 출력을 근거로 제어신호(EN)을 생성하여 상기 게이트 드라이버(GD200)가 상기 펄스 신호에 포함된 특정 펄스를 제거하도록 상기 게이트 드라이버(GD200)를 제어하는 역할을 할 수 있다.

구체적으로, 상기 플립-플롭(FF1)은 상기 감지 신호(Vsen)이 상기 상위 지령치 이상인 경우, 상기 게이트 드라이버(GD200)가 상기 펄스 신호에 포함된 특정 펄스를 제거하도록 상기 게이트 드라이버(GD200)를 제어하고, 상기 감지 신호(Vsen)가 상기 하위 지령치 이하인 경우, 상기 게이트 드라이버(GD200)가 상기 펄스 신호에 포함된 특정 펄스를 제거하지 않도록 상기 게이트 드라이버(GD200)를 제어하는 역할을 할 수 있다.

따라서, 상기 기준 신호 검출부(SD200)는 도 28에 도시된 전압/전류 검출기(Voltage/Current Detector, SD100)에 대응되는 구성요소이고, 상기 히스테리시스 비교기(Hysteresis Comparator, HC100) 및 플립-플롭(Flip-Flop, FF1)은 상기 피크 검출기(Peak Detector, PD100)에 대응되는 구성요소일 수 있다.

또한 일 실시예에 따르면, 상기 기준 신호 검출부(SD200) 및 상기 히스테리시스 비교기(Hysteresis Comparator, HC100) 및 플립-플롭(Flip-Flop, FF1)은 하나의 제어부의 형태로 구현될 수 있다.

도 33에 도시된 펄스 스킵 방법에 대해 간단히 정리하면 다음과 같다.

1. LC공진 탱크의 전류는 매 구동시 점차 증가하며,

2. T1은 도 30에 도시된 C 구성으로부터 획득한 감지 신호를 근거로 발생되는 시점이므로 공진 전류가 Zero를 크로싱하는 위상보다 약간 앞에 위치할 수 있다. 이때 LC공진 전류가 지정된 값보다 클 경우 Hysteresis Comparator의 출력은 바뀔 수 있다.

3. Hysteresis Comparator의 Hysteresis Window를 적당히 조절하여 LC공진탱크의 전류가 Zero를 크로싱하는 지점인 T2 를 지난 시점 T3 에서 Hysteresis Comparator의 출력이 원래대로 되돌아 가도록 설정할 수 있다.

4. 이렇게 발생한 Hysteresis Comparator의 출력은 다음 Pulse를 Skip하라는 신호로서, 실시간으로 적용 시키지 않고 Flip Flop을 이용하여 대기 시킬 수 있다.

5. Oscillator에서 발생하는 Pulse를 4에서 대기시킨 Flip Flop의 CLK단자에 인가함으로써 실제 스위치를 구동하는 Hctrl 및 Lctrl 신호가 펄스가 나오는 도중에 끊기지 않고, 온전한 스위치 구동 Pulse가 사라지게 될 수 있다.

도 34는 본 명세서에 개시된 일 실시예에 따른 전송이득 조절방법이 적용된 풀-브릿지 인버터를 포함하는 무선 전력 전송장치를 나타내는 구성도이다.

상기 풀-브릿지 인버터부는, LC 공진 탱크 회로에 풀-업 전류를 제공하는 두 개의 풀-업 스위칭 소자 및 풀-다운 전류를 제공하는 두 개의 풀-다운 스위칭 소자를 포함할 수 있다.

여기서, 오실레이터에 의해 생성되는 펄스 신호는, 상기 두 개의 풀-업 스위칭 소자 각각에 인가되는 구동 신호를 생성하기 위한 제 1 풀-업 펄스 신호, 제 2 풀-업 펄스 신호, 상기 두 개의 풀-다운 스위칭 소자 각각에 인가되는 구동 신호를 생성하기 위한 제 1 풀-다운 펄스 신호 및 제 2 풀-다운 펄스 신호를 포함할 수 있다.

또한 인버터 구동 신호는 상기 제 1 풀-업 펄스 신호, 제 2 풀-업 펄스 신호, 제 1 풀-다운 펄스 신호 및 제 2 풀-다운 펄스 신호 각각에 의해 생성되는 상기 제 1 풀-업 신호(LHctrl), 제 2 풀-업 신호(RLctrl), 제 1 풀-다운 신호(LLctrl) 및 제 2 풀-다운 신호(RHctrl)을 포함할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 도 34에 도시된 피크 검출기(Peak Detector) 및 공진 센싱 블록(Resonant sensing block)은 하나의 제어부로 구성될 수 있다.

이 경우, 상기 제어부는, 상기 제 1 풀-업 펄스 신호에 포함된 복수의 펄스 중 적어도 하나의 제 1 풀-업 펄스, 상기 제 2 풀-업 펄스 신호에 포함된 복수의 펄스 중 적어도 하나의 제 2 풀-업 펄스, 상기 제 1 풀-다운 펄스 신호에 포함된 복수의 펄스 중 적어도 하나의 제 1 풀-다운 펄스 및 상기 제 2 풀-다운 펄스 신호에 포함된 복수의 펄스 중 적어도 하나의 제 2 풀-다운 펄스 중 적어도 하나를 제거하여 상기 무선 전력 신호의 크기가 조절되도록 하는 인버터 구동신호가 생성되도록 펄스 스킵퍼(Pulse Skipper)를 제어할 수 있다.

여기서, 공진 센싱 블록(Resonant sensing block)은 전술된 상기 전압/전류 검출기(Voltage/Current Detector, SD100)에 대응되는 구성요소일 수 있다.

상기 공진 센싱 블록(Resonant sensing block)은 도 34에 도시된 ① ~ ⑤에 해당하는 전류 또는 ②에 해당하는 전압을 기준 신호로 하여 감지신호를 검출할 수 있다.

풀-브릿지 인버터를 포함하는 무선 전력 전송장치의 기본적인 동작 원리는 전술된 하프-브릿지 형태와 거의 동일한바 자세한 설명은 생략하기로 한다.

도 35는 본 명세서에 일 실시예에 따른 공진 센싱 블록(Resonant sensing block)의 구성을 나타내는 예시도이다.

도 35를 참조하면, 본 명세서에 일 실시예에 따른 공진 센싱 블록(Resonant sensing block)은 Current Transformer(CT)를 이용하여 공진 전류(또는 기준 신호 내지 LC 공진부의 내부 신호)를 근거로 한 감지신호를 검출할 수 있다.

또한, Floating Node가 아니라면, 공진 센싱 블록(Resonant sensing block)은 저항을 이용하여 상기 공진 전류를 감지(또는 상기 공진 전류를 근거로 한 감지 신호의 검출)할 수 있다.

도 36은 본 명세서에 일 실시예에 따른 피크 검출부(Peak Detector)의 구성을 나타내는 예시도이다.

도 36을 참조하면, 본 명세서에 일 실시예에 따른 피크 검출부(Peak Detector)는 감지신호의 피크(Peak)를 감지하여, 다음 스위칭 신호(Switching Signal, 또는 인버터 구동 신호)가 변할 때를 정확히 맞춰 OFF 신호(또는 펄스 스킵 신호)를 내보낼 수 있다.

도 36에 도시된 타이밍 컨트롤(Timing Control) 블록은 디지털 회로로 구성될 수 있으며 상기 OFF신호를 적절히 지연시켜 상기 피크가 감지된 시점으로부터 이후에 발생되는 펄스가 정확히 스킵되도록 하는 역할을 할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 타이밍 컨트롤 블록은 간단한 D-FlipFlop으로 구현될 수 있다.

도 37은 본 명세서에 일 실시예에 따른 풀-브릿지 인버터를 구비하는 무선 전력 전송장치를 나타내는 구성도이다.

도 37을 참조하면, 본 명세서에 일 실시예에 따른 풀-브릿지 인버터를 구비하는 무선 전력 전송장치는 도 32의 하프-브릿지 인버터를 포함하는 무선 전력 전송장치와 유사하게 오실레이터, 게이트 드라이버, 인버터부, LC 공진부, 기준 신호 검출부(C 구조 형태), 히스테리시스 비교기 및 플립-플롭을 구비함을 알 수 있다.

전체적인 동작은 도 32의 하프-브릿지 인버터를 포함하는 무선 전력 전송장치와 거의 동일한바 자세한 설명은 생략하기로 한다.

도 38은 본 명세서에 개시된 일 실시예에 따른 풀-브릿지 인버터에 의해 구동되는 LC 공진 발진기를 나타내는 예시도이다.

도 38을 참조하면, 풀-브릿지 인버터는 두 개의 풀-업 트랜지스터 및 두 개의 풀-다운 트랜지스터를 포함할 수 있다.

이 경우, 상기 풀-브릿지 인버터에 공급되는 인버터 구동신호는 제 1 풀-업 신호(LHctrl), 제 2 풀-업 신호(RLctrl), 제 1 풀-다운 신호(LLctrl) 및 제 2 풀-다운 신호(RHctrl)일 수 있다.

여기서, 상기 제 1 풀-업 신호(LHctrl), 제 2 풀-업 신호(RLctrl), 제 1 풀-다운 신호(LLctrl) 및 제 2 풀-다운 신호(RHctrl)들은, 오실레이터등의 펄스 신호 생성부에 의해 생성되는 펄스 신호인 제 1 풀-업 펄스 신호, 제 2 풀-업 펄스 신호, 제 1 풀-다운 펄스 신호 및 제 2 풀-다운 펄스 신호 각각을 근거로 생성될 수 있다.

또한, LC 공진 발진기(또는 LC 공진 탱크 회로)에는 공진 전류(Ireso)가 흐르게 된다.

도 39는 도 38에 도시된 LC 공진 발진기에 있어서의 다양한 펄스 스킵방법을 나타내는 예시도이다.

도 39를 참조하면, 본 명세서에 개시된 일 실시예에 따른 무선 전력 전송장치는 다양한 방법으로 펄스를 제거할 수 있다.

즉, 도 39에 도시된 바와 같이, 상기 무선 전력 전송장치는 오실레이터등의 펄스 신호 생성부에 의해 생성되는 펄스 신호의 1주기 또는 반주기 내에서 상기 제 1 풀-업 펄스 신호, 제 2 풀-업 펄스 신호, 제 1 풀-다운 펄스 신호 및 제 2 풀-다운 펄스 신호 중 적어도 하나의 펄스 신호에서 펄스를 제거하여 상기 제 1 풀-업 신호(LHctrl), 제 2 풀-업 신호(RLctrl), 제 1 풀-다운 신호(LLctrl) 및 제 2 풀-다운 신호(RHctrl)를 생성할 수 있다.

도 39(a)는 1주기 내에서 모든 풀-업 및 풀-다운 신호에서 펄스를 제거하는 경우이고(xxctrl에서 펄스 제거), 도 39(b)는 1주기 내에서 상기 제 1 풀-업 신호(LHctrl) 및 제 2 풀-다운 신호(RHctrl)에서 펄스를 제거하는 경우(즉, xHctrl에서만 펄스 제거)이고, 도 39(c)는 반주기 내에서 상기 제 1 풀-다운 신호(LLctrl) 및 제 2 풀-다운 신호(RHctrl)에서 펄스를 제거하는 경우(xxctrl에서 펄스 제거)이며 도 39(d)는 반주기 내에서 상기 제 2 풀-다운 신호(RHctrl)에서 펄스를 제거하는 경우(xHctrl에서 펄스 제거)를 나타낸다.

본 명세서에 개시된 다른 일 실시예에 따른 무선 전력 전송장치에 대한 설명

본 명세서에 개시된 다른 일 실시예에 따른 무선 전력 전송장치는 전술된 펄스 신호 생성부(PG100), 펄스 스킵부(PS100), 오실레이터(Oscillator, PG200), 펄스 스킵퍼(Pulse Skipper, PS200), 하프-브릿지 인버터(I200), LC 탱크 회로(LC200), 전압/전류 검출기(Voltage/Current Detector, SD100) 및 피크 검출기(Peak Detector, PD100) 중 적어도 하나에 해당하는 기능이 디지털 회로로 구현된 하나의 제어부에 의해 수행되는 경우를 나타낼 수 있다.

본 명세서에 개시된 다른 일 실시예에 따른 무선 전력 전송장치는 무선 전력 신호를 생성하여 무선 전력 수신장치로 무선 전력을 전송하며, 인버터 구동 신호를 근거로 직류 신호를 교류 신호로 변환하는 인버터부, 상기 교류 신호에 의한 LC 공진 현상을 근거로 상기 무선 전력 신호를 생성하는 LC 공진부 및 펄스 신호를 생성하고, 상기 펄스 신호에 포함된 복수의 펄스 중 적어도 하나의 펄스를 기준 신호를 근거로 제거하여 상기 인버터 구동 신호를 생성하고, 상기 인버터 구동 신호를 상기 인버터부에 인가하여 상기 무선 전력 신호의 크기를 조절하는 제어부를 포함할 수 있다.

또한, 상기 기준 신호는, 상기 인버터부 및 상기 LC 공진부 중 적어도 하나의 내부 전류 또는 내부 전압인 것일 수 있다.

또한, 상기 제어부는, 상기 기준 신호에 해당하는 크기가 특정 값 이상이 되는 시점을 근거로 상기 적어도 하나의 펄스를 제거하는 것일 수 있다.

또한, 상기 제어부는, 상기 기준 신호에 해당하는 크기의 피크 값을 검출하고, 상기 피크 값이 상기 특정 값 이상이 되는 시점을 근거로 상기 적어도 하나의 펄스를 제거하는 것일 수 있다.

도 40은 본 명세서에 개시된 다른 일 실시예에 따른 무선 전력 전송장치를 나타내는 구성도이다.

도 40을 참조하면, 본 명세서에 개시된 다른 일 실시예에 따른 무선 전력 전송장치는 인버터부(I100), LC 공진부(100) 및 제어부(C200)를 포함할 수 있다.

상기 인버터부(I100) 및 LC 공진부(100)에 대해서는 도 27에 설명된 것과 동일하므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.

상기 제어부(C200)는 펄스 신호를 생성하고, 상기 펄스 신호에 포함된 복수의 펄스 중 적어도 하나의 펄스를 기준 신호(RS2)를 근거로 제거하여 인버터 구동 신호를 생성할 수 있다.

또한, 상기 제어부(C200)는 상기 인버터 구동 신호를 상기 인버터부(I100)에 인가하여 무선 전력 신호(P100)의 크기를 조절하여 전송이득을 조절할 수 있다.

상기 제어부(C200)는 전술된 전력 송신 제어부(112)에 대응되거나 포함되는 구성요소일 수 있다.

여기서, 상기 기준 신호(RS2)는, 상기 인버터부(I100) 및 상기 LC 공진부(LC100) 중 적어도 하나의 내부 전류 또는 내부 전압인 것일 수 있다.

또한, 상기 제어부(C200)는, 상기 기준 신호(RS2)에 해당하는 크기가 특정 값 이상이 되는 시점을 근거로 상기 적어도 하나의 펄스를 제거할 수 있다.

또한, 상기 제어부(C200)는, 상기 기준 신호(RS2)에 해당하는 크기의 피크 값을 검출하고, 상기 피크 값이 상기 특정 값 이상이 되는 시점을 근거로 상기 적어도 하나의 펄스를 제거할 수 있다.

도 41은 도 40에 도시된 무선 전력 전송장치의 구체적인 일 실시예를 나타내는 예시도이다.

도 41을 참조하면, 구체적인 일 실시예에 따른 무선 전력 전송장치(100)는 제어부(C300), 게이트 드라이버(GD300), 인버터부(I400), LC 공진부(LC400), 공진 감지부(Resonant Sensing block, SD300) 및 피크 검출부(PD200)을 포함할 수 있다.

상기 게이트 드라이버(GD300), 인버터부(I400), LC 공진부(LC400), 공진 감지부(Resonant Sensing block, SD300) 및 피크 검출부(PD200)의 기능 및 역할등은 전술한 바와 거의 유사하므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.

상기 제어부(C300)는 디지털 회로로 구현될 수 있다. 예를 들어, 상기 제어부(C300)는 마이크로 컨트롤러(Micro Controller)로 구현될 수 있다.

따라서, 상기 제어부(C300)는 도 27에 개시된 펄스 신호 생성부(PG100), 펄스 스킵부(PS100) 및 제어부(C100)의 역할을 모두 할 수 있다.

또한, 변형된 일 실시예에 따르면, 상기 제어부(C300)는 상기 공진 감지부(Resonant Sensing block, SD300) 및 피크 검출부(PD200)를 포함하도록 구현되어 하나의 제어부를 통하여 모든 기능이 수행될 수 있다.

상기 제어부(C300)는 전술된 전력 송신 제어부(112)에 대응되거나 포함되는 구성요소일 수 있다.

도 42는 도 41에 도시된 무선 전력 전송장치(100)의 동작을 나타내는 예시도이다.

도 42를 참조하여, 상기 제어부(C300, 또는 Micro Controller)에서 수행되는 동작을 정리하면 아래와 같다.

1. 상기 제어부(C300)는 Full(Half) Bridge 구동에 적합한 주파수와 dead time을 가지는 펄스 신호(xxctrl_ref, 미도시, 펄스가 제거되지 않은 파형임) 생성할 수 있다.

2. 상기 제어부(C300)는 Peak-Detector(PD200)에서 Skip 신호가 발생하지 않을 시 상기 펄스 신호(xxctrl_ref)를 그대로 출력하여 인버터 구동신호(GLH, GRL, GRH, GLL)를 생성한다.

3. 또한, 상기 제어부(C300)는 Peak-Detector에서 Skip신호가 발생하는 경우, 다음 xHctrl_ref 신호를 Skip하여 펄스가 제거된 GRH 신호를 생성할 수 있다.

소프트 스위칭에 대한 설명

전술한 바와 같이, 본 명세서에 개시된 실시예들에 따른 무선 전력 전송장치에 포함된 인버터부는 소프트 스위칭 동작을 할 수 있다.

이하에서는 도 43 내지 도 44를 참조하여 소프트 스위칭 중 ZVS(Zero Voltage Switching)가 발생하는 경우를 설명한다.

도 43은 본 명세서에 개시된 일 실시예에 따른 하프-브릿지 인버터 및 LC 공진 발진기 및 동작 파형을 나타내는 예시도이다.

일반적으로 하프-브릿지 인버터 및 LC 공진 발진기에 있어서, ZVS(Zero Voltage Switching)가 발생하는 조건은 인버터 구동 신호의 구동 주파수가 LC 공진부에 해당하는 공진 주파수보다 큰 경우에 발생할 수 있다.

도 43을 참조하면, 상기 구동 주파수가 공진 주파수보다 큰 경우, 제 2 스위칭 소자(S2)의 턴-온 시점에서 인덕터 전류(ILeq)는 음의 값을 가질 수 있다.

따라서, 상기 제 2 스위칭 소자(S2)의 전류(Is2)가 도 43에 도시된 바와 같이 될 수 있는바 ZVS가 발생할 수 있다.

도 44는 동작 모드(모드 1 ~ 모드 4)에 따른 ZVS동작을 나타내는 예시도이다.

도 44를 참조하면, 모드 1 내지 모드 4에 따른 ZVS 동작을 정리하면 다음과 같다.

모드 1(Mode 1)에서 CS2가 방전되고, 모드 2(Mode 2)에서 스위치 역병렬 다이오드 D2 도통되어 제 2 스위칭 소자(S2)가 ZVS 턴-온 동작을 개시한다.

모드 3(Mode 3)에서 제 2 스위칭 소자(S2)가 도통되고, 모드 4(Mode 4)에서 CS2가 충전되어, dt/dv 저감으로 인한 턴-오프 손실이 저감될 수 있다.

본 명세서에 개시된 실시예들에 따른 무선 전력 전송방법에 대한 설명

본 명세서에 개시된 실시예들에 따른 무선 전력 전송방법은, 무선 전력 신호를 생성하여 무선 전력 수신장치로 무선 전력을 전송하며, 펄스 신호를 생성하는 단계, 상기 펄스 신호에 포함된 복수의 펄스 중 적어도 하나의 펄스를 기준 신호를 근거로 제거하여 인버터 구동 신호를 생성하는 단계, 상기 인버터 구동 신호를 상기 무선 전력 전송장치에 포함된 인버터부에 인가하여 직류 신호를 교류 신호로 변환하는 단계 및 상기 교류 신호를 상기 무선 전력 전송장치에 포함된 LC 공진부에 인가하여 LC 공진 현상을 근거로 한 상기 무선 전력 신호를 생성하는 단계를 포함할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 기준 신호는, 상기 인버터부 및 상기 LC 공진부 중 적어도 하나의 내부 전류 또는 내부 전압인 것일 수 있다.

또한, 일 실시예에 따르면, 상기 인버터 구동 신호를 생성하는 단계는, 상기 기준 신호에 해당하는 크기가 특정 값 이상이 되는 시점을 검출하는 단계 및 상기 검출된 시점을 근거로 상기 적어도 하나의 펄스를 제거하는 단계를 포함할 수 있다.

또한, 일 실시예에 따르면, 상기 인버터 구동 신호를 생성하는 단계는, 상기 기준 신호에 해당하는 크기의 피크 값을 검출하는 단계 및 상기 검출된 피크 값이 상기 특정 값 이상이 되는 시점을 근거로 상기 적어도 하나의 펄스를 제거하는 단계를 포함할 수 있다.

도 45는 본 명세서에 개시된 실시예들에 따른 무선 전력 전송방법을 나타내는 순서도이다.

도 45를 참조하면, 본 명세서에 개시된 실시예들에 따른 무선 전력 전송방법은 다음과 같은 단계로 이루어질 수 있다.

먼저, 무선 전력 전송장치는 펄스 신호를 생성할 수 있다(S110).

다음으로 상기 무선 전력 전송장치는 상기 펄스 신호에 포함된 복수의 펄스 중 적어도 하나의 펄스를 기준 신호를 근거로 제거하여 인버터 구동 신호를 생성할 수 있다(S120).

다음으로 상기 무선 전력 전송장치는 상기 인버터 구동 신호를 상기 무선 전력 전송장치에 포함된 인버터부에 인가하여 직류 신호를 교류 신호로 변환할 수 있다(S130).

다음으로 상기 무선 전력 전송장치는 상기 교류 신호를 상기 무선 전력 전송장치에 포함된 LC 공진부에 인가하여 LC 공진 현상을 근거로 한 상기 무선 전력 신호를 생성할 수 있다.

상술한 실시예들에 따르면, 다음과 같은 이점이 존재할 수 있다.

1. LC공진을 이용한 발진기에서 주파수나 Duty를 조절하지 않고도 이득을 조절이 가능하다.

2. LC공진을 이용한 발진기에서 안정적으로 이득을 조절할 수 있다. 구체적으로 무선전력전송회로에서 Tx공진 전류를 제어함으로서 추가로 내부 부품의 보호가 가능한 이점이 있을 수 있다. 더불어 Rx상황에 무관하게 Tx의 부품을 보호할 수 있다.(특히 공진 Cap.의 내압 보호가 됨) 또한, Rx에 인가된 부하의 크기와 관련없이 Rx부품을 보호 할 수 있다. (특히, 무부하에서 Rx입력단 Diode, 전해Cap.등의 내압이 보호가 됨)

3. 부하와 이득에 관계없이 전구간 Soft Switching을 확보할 수 있다.

이상에서 설명한 방법은 예를 들어, 소프트웨어, 하드웨어 또는 이들의 조합된 것을 이용하여 컴퓨터 또는 이와 유사한 장치로 읽을 수 있는 기록매체 내에서 구현될 수 있다.

하드웨어적인 구현에 의하면, 지금까지 설명한 방법들은 ASICs (application specific integrated circuits), DSPs (digital signal processors), DSPDs (digital signal processing devices), PLDs (programmable logic devices), FPGAs (field programmable gate arrays, 프로세서(processors), 제어기(controllers), 마이크로 컨트롤러(micro-controllers), 마이크로 프로세서(microprocessors), 기타 기능 수행을 위한 전기적인 유닛 중 적어도 하나를 이용하여 구현될 수 있다. 예를 들어, 상기 방법들은 상기 무선 전력 전송장치(100)의 제어부(180) 또는 전력 송신 제어부(112)에 구현될 수도 있다.

소프트웨어적인 구현에 의하면, 본 명세서에서 설명되는 절차 및 기능과 같은 실시 예들은 별도의 소프트웨어 모듈들로 구현될 수 있다. 상기 소프트웨어 모듈들 각각은 본 명세서에서 설명되는 하나 이상의 기능 및 작동을 수행할 수 있다. 적절한 프로그램 언어로 쓰여진 소프트웨어 어플리케이션으로 소프트웨어 코드가 구현될 수 있다. 상기 소프트웨어 코드는 상기 무선 전력 전송장치(100)의 메모리(150)에 저장되고, 상기 제어부(180) 또는 상기 전력 송신 제어부(112)에 의해 실행될 수 있다.

이상 개시된 본 명세서에 기재된 실시 예에 따른 무선 전력 전송장치의 구성은 무선 충전기에만 적용 가능한 경우를 제외하면, 도킹 스테이션(docking station), 단말기 크래들 장치(cradle device), 기타 전자 장치 등과 같은 장치에도 적용될 수도 있음을 본 기술분야의 당업자라면 쉽게 알 수 있을 것이다.

본 발명의 범위는 본 명세서에 개시된 실시 예들로 한정되지 아니하고, 본 발명은 본 발명의 사상 및 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 다양한 형태로 수정, 변경, 또는 개선될 수 있다.

100 : 무선 전력 전송장치 200: 무선 전력 수신장치
C100 : 제어부 I100: 인버터부
LC100: LC 공진부

Claims (23)

1. 무선 전력 신호를 생성하여 무선 전력 수신장치로 무선 전력을 전송하는 무선 전력 전송 장치에 있어서,
   펄스 신호를 생성하는 펄스 신호 생성부;
   상기 펄스 신호에 포함된 복수의 펄스 중 적어도 하나의 펄스를 제거하여 인버터 구동 신호를 생성하는 펄스 스킵부;
   상기 인버터 구동 신호를 근거로 직류 신호를 교류 신호로 변환하는 인버터부;
   상기 교류 신호에 의한 LC 공진 현상을 근거로 고정 주파수를 사용하여 상기 무선 전력 신호를 생성하는 LC 공진부; 및
   상기 적어도 하나의 펄스를 제거하여 상기 무선 전력 신호의 크기가 조절되도록 상기 펄스 스킵부를 제어하여 전송이득을 제어하는 제어부를 포함하고,
   상기 제어부는,
   기준 신호에 해당하는 크기가 상위 지령치와 연관된 특정 값 이상이 되는 시점을 근거로 상기 적어도 하나의 펄스를 결정하고,
   상기 적어도 하나의 펄스의 제거를 지시하는 제어 신호인 펄스 스킵 활성화 신호를 상기 펄스 스킵부에 전달하고,
   상기 펄스 스킵부는 상기 펄스 스킵 활성화 신호를 수신한 시점 이후, 상기 기준 신호에 해당하는 크기가 하위 지령치와 연관된 제2 특정 값 이하인 경우에 상기 적어도 하나의 펄스를 제거하지 않을 때까지 상기 적어도 하나의 펄스를 제거하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송장치.
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3. 제1항에 있어서,
   상기 기준 신호를 검출하는 검출부를 더 포함하는 것인 무선 전력 전송장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 기준 신호는,
   상기 인버터부 및 상기 LC 공진부 중 적어도 하나의 내부 전류 또는 내부 전압인 것인 무선 전력 전송장치.
5. 제1항에 있어서, 상기 제어부는,
   상기 기준 신호에 해당하는 크기가 특정 값 이상이 되는 시점을 근거로 상기 적어도 하나의 펄스를 결정하는 것인 무선 전력 전송장치.
6. 제4항에 있어서, 상기 제어부는,
   상기 기준 신호에 해당하는 크기의 피크 값을 검출하고,
   상기 피크 값이 상기 특정 값 이상이 되는 시점을 근거로 상기 적어도 하나의 펄스를 결정하는 것인 무선 전력 전송장치.
7. 제1항에 있어서, 상기 인버터부는,
   상기 LC 공진부에 풀-업 전류를 제공하는 제 1 스위칭 소자 및 풀-다운 전류를 제공하는 제 2 스위칭 소자를 포함하는 것인 무선 전력 전송장치.
8. 제7항에 있어서, 상기 제 1 스위칭 소자 및 상기 제 2 스위칭 소자는,
   MOSFET 및 IGBT 중 적어도 하나로 이루어지는 것인 무선 전력 전송장치.
9. 제7항에 있어서, 상기 제어부는,
   기준 전류를 근거로 상기 복수의 펄스 중 제거되어야 할 상기 적어도 하나의 펄스를 결정하고,
   상기 적어도 하나의 펄스의 제거를 지시하는 제어 신호를 상기 펄스 스킵부에 전달하되,
   상기 기준 전류는,
   상기 제 1 스위칭 소자의 소스 단자, 상기 제 2 스위칭 소자의 소스 단자 및 상기 제 1 스위칭 소자의 드레인 단자와 상기 제 2 스위칭 소자의 드레인 단자 간의 접점 노드 중 적어도 하나에 해당하는 전류인 것인 무선 전력 전송장치.
10. 제1항에 있어서, 상기 LC 공진부는,
    적어도 하나의 인덕터 및 적어도 하나의 커패시터를 포함하고,
    상기 제어부는,
    기준 전류 또는 기준 전압을 근거로 상기 복수의 펄스 중 제거되어야 할 상기 적어도 하나의 펄스를 결정하고,
    상기 적어도 하나의 펄스의 제거를 지시하는 제어 신호를 상기 펄스 스킵부에 전달하되,
    상기 기준 전류 또는 상기 기준 전압은,
    상기 적어도 하나의 인덕터와 상기 적어도 하나의 커패시터 간의 접점 노드에 해당하는 전류 또는 전압인 것인 무선 전력 전송장치.
11. 제1항에 있어서, 상기 인버터부는,
    상기 LC 공진부에 풀-업 전류를 제공하는 한 개의 풀-업 스위칭 소자 및 풀-다운 전류를 제공하는 한 개의 풀-다운 스위칭 소자를 포함하는 하프-브릿지 인버터로 구현되고,
    상기 펄스 신호는,
    상기 한 개의 풀-업 스위칭 소자에 인가되는 구동 신호를 생성하기 위한 제 1 풀-업 펄스 신호 및 상기 한 개의 풀-다운 스위칭 소자에 인가되는 구동 신호를 생성하기 위한 제 1 풀-다운 펄스 신호를 포함하는 것인 무선 전력 전송장치.
12. 제11항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 제 1 풀-업 펄스 신호에 포함된 복수의 펄스 중 적어도 하나의 제 1 풀-업 펄스 및 상기 제 1 풀-다운 펄스 신호에 포함된 복수의 펄스 중 적어도 하나의 제 1 풀-다운 펄스 중 적어도 하나를 제거하여 상기 무선 전력 신호의 크기가 조절되도록 상기 펄스 스킵부를 제어하는 것인 무선 전력 전송장치.
13. 제1항에 있어서, 상기 인버터부는,
    상기 LC 공진부에 풀-업 전류를 제공하는 두 개의 풀-업 스위칭 소자 및 풀-다운 전류를 제공하는 두 개의 풀-다운 스위칭 소자를 포함하는 풀-브릿지 인버터로 구현되고,
    상기 펄스 신호는,
    상기 두 개의 풀-업 스위칭 소자 각각에 인가되는 구동 신호를 생성하기 위한 제 1 풀-업 펄스 신호, 제 2 풀-업 펄스 신호, 상기 두 개의 풀-다운 스위칭 소자 각각에 인가되는 구동 신호를 생성하기 위한 제 1 풀-다운 펄스 신호 및 제 2 풀-다운 펄스 신호를 포함하는 것인 무선 전력 전송장치.
14. 제13항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 제 1 풀-업 펄스 신호에 포함된 복수의 펄스 중 적어도 하나의 제 1 풀-업 펄스, 상기 제 2 풀-업 펄스 신호에 포함된 복수의 펄스 중 적어도 하나의 제 2 풀-업 펄스, 상기 제 1 풀-다운 펄스 신호에 포함된 복수의 펄스 중 적어도 하나의 제 1 풀-다운 펄스 및 상기 제 2 풀-다운 펄스 신호에 포함된 복수의 펄스 중 적어도 하나의 제 2 풀-다운 펄스 중 적어도 하나를 제거하여 상기 무선 전력 신호의 크기가 조절되도록 상기 펄스 스킵부를 제어하는 것인 무선 전력 전송장치.
15. 제1항에 있어서, 상기 인버터부는,
    상기 LC 공진부에 풀-업 전류를 제공하는 적어도 하나의 풀-업 스위칭 소자 및 풀-다운 전류를 제공하는 적어도 하나의 풀-다운 스위칭 소자를 포함하되,
    상기 적어도 하나의 풀-업 스위칭 소자 및 상기 적어도 하나의 풀-다운 스위칭 소자는 ZVS(Zero Voltage Switching) 또는 ZCS(Zero Current Switching)을 근거로 한 스위칭이 이루어지는 것인 무선 전력 전송장치.
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